光電二極管又稱光敏二極管。制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較鍺器件暗電流、溫度系數都小得多，加之制作硅器件采用的平面工藝使其管芯結構很容易精確控制，因此，硅光電二極管得到了廣泛應用。

光電二極管的結構及原理分析

光電二極管的結構和普通二極管相似，只是它的PN結裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結上，圖1（a）是其結構示意圖。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態，如圖1（b）所示。

PN結加反向電壓時，反向電流的大小取決于P區和N區中少數載流子的濃度，無光照時P區中少數載流子（電子）和N區中的少數載流子（空穴）都很少，因此反向電流很小。但是當光照射PN結時，只要光子能量hv大于材料的禁帶寬度，就會在PN結及其附近產生光生電子—空穴對，從而使P區和N區少數載流子濃度大大增加。這些載流子的數目，對于多數載流子影響不大，但對P區和N區的少數載流子來說，則會使少數載流子的濃度大大提高，在反向電壓（P區接負，N區接正）作用下，反向飽和漏電流大大增加，形成光電流，該光電流隨入射光照度的變化而相應變化。光電流通過負載RL時，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號如果入射光的照度改變，光生電子—空穴對的濃度將相應變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光敏二極管就把光信號轉換成了電信號。

測量光電二極管的暗電流

測量光電二極管的暗電流，必須在一個不透光的密閉容器中進行，所以作者選擇了熱電致冷器件作為控溫器件，它具有體積小、效率高等優點。要獲得光電二極管暗電流的溫度特性參數，必須在一個溫度范圍內每隔$t℃進行恒溫控制來測量暗電流。又因為光電二極管暗電流非常小，在10-13～10-12A量級，所以設計關鍵有兩點：

（1）恒溫控制;

（2）微電流測量。

本設計用熱電致冷器件、溫度探測器和一個反饋放大電路構成恒溫控制系統，并設計了一個微電流計來精確測量暗電流。

溫度控制系統

該系統的一個重要器件是帕爾貼（PelTIer）器件，又稱半導體熱電致冷器件，它的原理是帕爾貼效應：當電流通過兩種不同半導體的結時，該結致冷還是發熱取決于電流的方向，放熱或吸熱率正比于電流的大小，并取決于結溫。實際的熱電致冷器件是由多對熱電對在電氣上串聯，在熱傳導上并聯組成的。熱電對由鉍碲化合物

摻雜形成的P型和N型半導體構成，它們和銅片相連，銅片則與電氣絕緣而導熱良好的瓷板相連接。給器件通以如圖1所示極性的直流電，即可給物體致冷，改變所加直流電極性即可變致冷為加熱。單層熱電器件兩端的溫差最大可達70℃，串聯（多層器件）使用可提高溫差，并聯使用則可增加其泵熱能力。

將帕爾貼器件置于恒溫金屬塊和散熱器之間，待測光電二極管緊貼恒溫塊表面，各導熱面之間均涂以導熱油。控制電路如圖2所示

作為溫度探測器的LM35具有線性好、工作范圍大（-55～+150℃）、工作電流小（《60LA）等優點，并且可在4～20V下工作，自身產生的熱量非常小，輸出阻抗也很小。測試中將LM35裝在金屬塊的一個孔中，以監視溫度.LM35輸出一個與攝氏溫度成正比的電壓（10mV/℃），送入一大功率運算放大器OPA541的輸入端，此運算放大器被接成比例式放大器。運放輸出直接接帕爾貼器件，輸出電流的大小和電壓的極性由電位器調節控制，即調節電位器就可以得到不同的恒溫溫度，當環境溫度改變時，運放的負反饋會自動調節輸出電流以維持金屬塊和光電二極管的溫度恒定。

微電流計的設計

測量光電二極管暗電流的微電流計主要由運放TL061、5G7650和A/D轉換器ICL7107構成.TL061為高輸入阻抗、低功耗的運算放大器，2與6腳之間的系列電阻均為阻值誤差小于+0.1%、溫度系數小于+50&TImes;10-6/℃的精密電阻，K為量程選擇開關，組成I/V變換器。光電二極管的暗電流由Im端輸入，由TL061的6腳輸出電壓信號。設輸入電流為I，則輸出電壓為

U=I&TImes;R，

運放5G7650使前級輸出的電壓信號進一步放大，其放大倍數為

KU=1+R2/R1.

其中R1、R2、R3要選擇阻值較大的精密電阻。經兩級放大后的電壓信號送到顯示電路，顯示電路的核心是一片31/2位的A/D轉換器ICL7107，ICL7107采用雙列直插封裝，有40個引出端.2～20腳、22～25腳為字段驅動端。其中2～8腳是個位字段驅動端，9～14腳和25腳為十位字段驅動端，15～18腳和22～24腳為百位字段驅動端，19～20腳為千位字段驅動端。此數字面板表最大計數值為1999，當超過此數值時，面板僅千位顯示“1”，其余各位消隱，表示過載。該面板表量程為0～22mV，故分辨率為100LV.由此可算出該微電流計的電流最小分辨率為（取中間級放大倍數KU=10）：

I=（100LV/10）/100m8=10-13A=0.1pA，

此分辨率足以對光電二極管暗電流進行測量。

溫度顯示電路與上面一樣也采用一片ICL7107，將LM35電壓輸出端的引線接入ICL7107的3腳，30腳與電源地相連即可。量程選擇0～2V，而LM35溫度每升高1℃輸出電壓增加10mV，且0℃時輸出電壓為0，故該表可顯示的溫度范圍為0～200℃，滿足測試要求

實踐與結果

暗電流隨溫度的變化而改變，是因為溫度的升高使價帶中的電子變得更活躍，而被激發到導帶。隨著溫度的升高，暗電流明顯增加。光電二極管暗電流的溫度特性可用下式來表示：

ID2=ID1&TImes;TCID（T2-T1） （1）

其中，TCID為光電二極管暗電流的溫度系數，ID1為T1℃時的暗電流，ID2為T2℃時的暗電流。

本文選用了兩個光電二極管（一為國產光電二極管，光敏面A=33mm2;另一為從日本HAMAMATSU公司進口的光電二極管，光敏面A=100mm2）進行了檢測。從圖3可以看出，光電二極管的暗電流隨著溫度的升高急劇增加，呈指數形式遞增，這與公式（1）相吻合。為了把所得到的溫度特性圖與國外資料進行比較，作者將所測得的進口光電二極管的暗電流數據處理成對數形式，然后給出對數坐標的溫度特性圖。通過圖4的比較可以看出，作者所測得的溫度特性圖與HAMAMATSU公司給出的特性圖基本一致。在測試過程中，由于所測光電二極管暗電流為10-13～10-12A數量級，應盡量避免噪聲的引入，故嚴格的屏蔽是本測試成敗的關鍵。此外，本設計除了可以對光電二極管暗電流的溫度特性進行測量，還可以測量光電二極管光電流的溫度特性，當然也可以測量一些小型光電器件某方面的溫度特性.

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