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1、。.四卷第一期实Voo第验技术与管理l4N1198了硅光电二极管的特性分析与参数测量吴石明(北京建工学院)一、前言硅光电二,、、、、极管是一种新型光电元件对光信号响应快灵敏度高稳定性好线性好,。’S。噪声低因此在有关光电转换的精密测量中被广泛采用如激光功率测量下限可到10W光祸合隔离器、光学数据传输装置、光学通讯都用到它。本文就光电二极管的物理特性和参,,。数选择做些探讨并对几个重要参数进行了测量可供参考二、硅光电二极管的基本结构和工作原理,,十硅光电二极管的基本结构如图1所示由于载流子的扩散在尸区和N区之间形。十,+,,成一个尸N结尸区是透明的光
2、子可以通过尸区到达尸N结区由于光子的激发作用,尸N结中电场的作用下,尸区产生电子一空穴对在这些少数载流子分别向N区和。,。,运动在短接硅光电二极管的两个电极时产生相应的光生电流在外电路开路时产生开,:路光生电势其值为=·+·。:,(‘‘/‘,琴(1)。,,,式中l为硅光电二极管的反向饱和电流I为尸N结中的光生电流九为玻耳兹曼常一倒义之匕州3吨!l
3、几勿4、、,‘\\\5\、\习工只牛几.1尸十扩散层2.耗尽层或尸N结区3.N区图2硅光电二极管的等效电路一4.N卜扩散层5.金属按触成6.有效!颐区了.引线图1了圭光电二极管白勺结构实验技
4、木与管理,。数T为绝对温度硅2,I:,I,光电二极管可用如图所示的等效电路来代替为等效电源它是光电流和,。I‘之和暗电流及噪声电I:=I,+I‘+I。(即I2).“。一0B,。=1x10‘4,,如管子质量好(如U厂10I29A)噪声电流很小可以忽略暗。,。电流本身并不影响硅光电二极管对信号的测量在线路设计时可以通过调零来消除但是,。,。,温度增高一倍暗电流要增加十倍因此暗电流的这种变化要影响对信号的测量所以,。,。在使用时以保持恒温为好暗电流也与所加偏压成正比且面积越小暗电流也越小可以近,=,。,,。似认为IIR是串联电阻由接触电阻和未耗尽的体材料
5、电阻所组成所加偏压越,,,,。‘,高耗尽区越宽因而R越小一般为十几欧姆到几十欧姆C是尸N结的结电容其、,。‘电容量同管子尺寸结构和所加偏压有关一般是几尸F到几千尸FR是硅光电二极管的,。,并联电阻它由硅光电二极管耗尽层电阻和污染引起的泄放电阻所组成温度增高一倍并,J。,联电阻降低十倍R的变化范围一般从几十千欧到上百兆欧D是尸N结等效二极管;,:。R是负载电阻C是负载电容、、三硅光电二极管响应的线性与并联电阻串联电阻的关系,2,硅光电二极管所测量的一般是稳定的光信号或低速脉冲信号在图的等效电路中C:、,,J:和C影响可以忽略由半导体物理可知通过二极管
6、的电流I是J=。eq犷d/A“,一i」II[=。eFdIAF1](3)I[卜,I。,q,J,式中是二极管的反向饱和电流是电子电荷犷是二极管上的电压A是有关常,,,:=,。,:数对硅而言A澎2犷寿T/q称为热电压由图2可知流过负载电阻上的电流为:=,一d一RdIIII=,一。eqF‘I注“少一一‘dII〔1]犷/R=,一。e‘J(刀,十尸,’A犷::‘JII〔/一l〕一I(R+R)/R(4),,:,由上式可知硅光电二极管接受激光辐射时输出的负载电流I和光生电流I之间有。指数关系设P为硅光电二极管的线性偏差二,一:,P(II)/I:代人(4)式得。‘一
7、,一一:‘I一I几(I几I)=~‘‘-二‘一=P一:J一忍I+*‘几II。el,‘R:十“‘’‘A厂z〕+I:(尸:+R‘)/RJ,[一}/I=。d‘通犷‘一1〕一,{I〔了犷打R好/I(5)硅光电二极管的特性分析与参数测景:。、:,,。由上式可以看出刀及I越小尸越大则线性偏差户值越小即线性好在负载短一_:,R,二o,一般R《。,:路状态下尸故(5)式化简为一:二e厂‘,,;:一1=e了J:/,厂,一1,〔〕r〕孕(6)J丢李1忿只。:,。,要I和R值小则P值很小所以硅光电二极管的线性既与二极管本身结构有关也。与外加负载有关一,一’。一呼,对UV4
8、4B利用(6)式计算当短路输出电流在10万一10刀时线性偏差P““。一3,。‘,值为2又10当输出电流在1。月以上时乡值很快增加且当R不为零时P值要,。增大即线性变坏、硅光电二极管的噪声散粒噪声,J它是由尸N结中随机电流所产生的即由尸N结载流子运动的随机变化所引起的噪,。,,声它同频率无关当硅光电二极管使用负偏压而硅光电二极管反向漏电严重的情况下。:可造成较大的散粒噪声散粒噪声流数值为:。=,、’/么I(2叮I么f)(7),。,。式中I是通过结的光电流八厂是工作频率带宽2.热噪声。:它是由自由电子在电阻材料中随机运动产生的其值为‘=J△‘/2l/(
9、4左TRf)(8):相应的热噪声电流为‘=、‘’2I(1几T△f/R)(9)可见,,。只要并联电阻大则热噪声电流可较小:硅
