光电二极管暗电流温度特性的测量

　　光电二极管又称光敏二极管。制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多，加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此，硅光电二极管得到了广泛应用。

     光电二极管的结构及原理分析

　　光电二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示。

　　

　　PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子（电子）和N区中的少数载流子（空穴）都很少，因此反向电流很小。但是当光照射PN结时，只要光子能量hv大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子—空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压（P区接负，N区接正）作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光照度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号如果入射光的照度改变，光生电子—空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。

　　测量光电二极管的暗电流

　　测量光电二极管的暗电流，必须在一个不透光的密闭容器中进行，所以作者选择了热电致冷器件作为控温器件，它具有体积小、效率高等优点。要获得光电二极管暗电流的温度特性参数，必须在一个温度范围内每隔$t℃进行恒温控制来测量暗电流。又因为光电二极管暗电流非常小，在10-13～10-12A量级，所以设计关键有两点：

　　（1）恒温控制;

　　（2）微电流测量。

　　本设计用热电致冷器件、温度探测器和一个反馈放大电路构成恒温控制系统，并设计了一个微电流计来精确测量暗电流。

　　

　　温度控制系统

　　该系统的一个重要器件是帕尔贴（Peltier）器件，又称半导体热电致冷器件，它的原理是帕尔贴效应：当电流通过两种不同半导体的结时，该结致冷还是发热取决于电流的方向，放热或吸热率正比于电流的大小，并取决于结温。实际的热电致冷器件是由多对热电对在电气上串联，在热传导上并联组成的。热电对由铋碲化合物

　　掺杂形成的P型和N型半导体构成，它们和铜片相连，铜片则与电气绝缘而导热良好的瓷板相连接。给器件通以如图1所示极性的直流电，即可给物体致冷，改变所加直流电极性即可变致冷为加热。单层热电器件两端的温差最大可达70℃，串联（多层器件）使用可提高温差，并联使用则可增加其泵热能力。

　　将帕尔贴器件置于恒温金属块和散热器之间，待测光电二极管紧贴恒温块表面，各导热面之间均涂以导热油。控制电路如图2所示

　　

　　作为温度探测器的LM35具有线性好、工作范围大（-55～+150℃）、工作电流小（《60LA）等优点，并且可在4～20V下工作，自身产生的热量非常小，输出阻抗也很小。测试中将LM35装在金属块的一个孔中，以监视温度.LM35输出一个与摄氏温度成正比的电压（10mV/℃），送入一大功率运算放大器OPA541的输入端，此运算放大器被接成比例式放大器。运放输出直接接帕尔贴器件，输出电流的大小和电压的极性由电位器调节控制，即调节电位器就可以得到不同的恒温温度，当环境温度改变时，运放的负反馈会自动调节输出电流以维持金属块和光电二极管的温度恒定。

　　微电流计的设计

　　测量光电二极管暗电流的微电流计主要由运放TL061、5G7650和A/D转换器ICL7107构成.TL061为高输入阻抗、低功耗的运算放大器，2与6脚之间的系列电阻均为阻值误差小于+0.1%、温度系数小于+50×10-6/℃的精密电阻，K为量程选择开关，组成I/V变换器。光电二极管的暗电流由Im端输入，由TL061的6脚输出电压信号。设输入电流为I，则输出电压为

　　U=I×R，

　　运放5G7650使前级输出的电压信号进一步放大，其放大倍数为

　　KU=1+R2/R1.

　　其中R1、R2、R3要选择阻值较大的精密电阻。经两级放大后的电压信号送到显示电路，显示电路的核心是一片31/2位的A/D转换器ICL7107，ICL7107采用双列直插封装，有40个引出端.2～20脚、22～25脚为字段驱动端。其中2～8脚是个位字段驱动端，9～14脚和25脚为十位字段驱动端，15～18脚和22～24脚为百位字段驱动端，19～20脚为千位字段驱动端。此数字面板表最大计数值为1999，当超过此数值时，面板仅千位显示“1”，其余各位消隐，表示过载。该面板表量程为0～22mV，故分辨率为100LV.由此可算出该微电流计的电流最小分辨率为（取中间级放大倍数KU=10）：

　　I=（100LV/10）/100m8=10-13A=0.1pA，

　　此分辨率足以对光电二极管暗电流进行测量。

　　温度显示电路与上面一样也采用一片ICL7107，将LM35电压输出端的引线接入ICL7107的3脚，30脚与电源地相连即可。量程选择0～2V，而LM35温度每升高1℃输出电压增加10mV，且0℃时输出电压为0，故该表可显示的温度范围为0～200℃，满足测试要求

　　实践与结果

　　暗电流随温度的变化而改变，是因为温度的升高使价带中的电子变得更活跃，而被激发到导带。随着温度的升高，暗电流明显增加。光电二极管暗电流的温度特性可用下式来表示：

　　

　　ID2=ID1×TCID（T2-T1） （1）

　　其中，TCID为光电二极管暗电流的温度系数，ID1为T1℃时的暗电流，ID2为T2℃时的暗电流。

　　本文选用了两个光电二极管（一为国产光电二极管，光敏面A=33mm2;另一为从日本HAMAMATSU公司进口的光电二极管，光敏面A=100mm2）进行了检测。从图3可以看出，光电二极管的暗电流随着温度的升高急剧增加，呈指数形式递增，这与公式（1）相吻合。为了把所得到的温度特性图与国外资料进行比较，作者将所测得的进口光电二极管的暗电流数据处理成对数形式，然后给出对数坐标的温度特性图。通过图4的比较可以看出，作者所测得的温度特性图与HAMAMATSU公司给出的特性图基本一致。在测试过程中，由于所测光电二极管暗电流为10-13～10-12A数量级，应尽量避免噪声的引入，故严格的屏蔽是本测试成败的关键。此外，本设计除了可以对光电二极管暗电流的温度特性进行测量，还可以测量光电二极管光电流的温度特性，当然也可以测量一些小型光电器件某方面的温度特性.