南京理工大学光电子与微电子综合实验实验报告

时间：2025-07-13

南京理工大学

光电子与微电子综合实验

实验报告

姓名：学号：

学院：电子工程与光电技术学院

专业：电子科学与技术

指导老师：高频

实验日期： 12月26—12月31

2011年12月

试验一光电器件设计

1. 实验目的

掌握半导体光电器件的原理，了解光电二极管特性，学会光电二极管的设计

方法。

2. 实验内容

① 光电二极管结构及外形设计； ② 光电二极管技术参数设计； ③ 光电二极管管芯设计； ④ 光电二极管材料性能设计； ⑤ 光电二极管工艺流程设计； ⑥ 光电二极管工艺参数设计； ⑦ 光电二极管测试方法； ⑧ 光刻掩膜板设计；

3. 实验原理

3.1光电二极管工作原理

在热平衡状态下，未受光照时，P-N结中的P区和N区的费米能级是相同的。图1.1示意出了热平衡状态下无光照时的P-N结能带。图中Ln，Lp分别为电子和空穴的扩散长度，Eg为禁带宽度，L为耗尽区长度。如果在热平衡状态下于P-N结上加一方向电压，则P-N结的耗尽区将被拉宽，并同时在电路中产生一个反向漏电流。P-N结的反向漏电流，主要是由结中少数载流子的扩散运动形成的，在一般条件下，P-N结中少数载流子极少，因而反向漏电流很小。

P-N结在受到能量大于禁带宽度Eg的光照射时，其价带中的电子在吸收光能后将跃迁到而导带而成为传导电子；与此同时在价带中将留下自由空穴。这些由光照产生的自由电子和自由空穴统称为光生载流子。

在受光照的光电二极管上加有反向电压，则管芯中多余的载流子所建立的电场反向，将与外加电压所建立的电场相同。在内外两个电场的共同作用下，光生载流子参与导电，从而形成电流。通常，把光照下流过光电二极管的反向电流称

为管子的光电流，流过不受光照的P-N结的反向漏电电流称为暗电流。既然光电二极管光电流是光生载流子参与导电形成的，而光生载流子的数目直接取决于光照强度，因此，光电流必定随着他、入射光的强度变化而变化。这就表明，加油反向电压的光电二极管能够把光信号变成电流信号。

图1.1

3.1 光电二极管主要特性和参数

光电二极管的主要参数和特性包括：电压—电流特性、只想特性、光谱响应特性、最高工作电压、光电流、暗电流和响应时间等。

① 电压—电流特性

光电二极管的电压—电流特性如图1.2所示。无光照时光电二极管的电压—电流曲线特性和一般的二极管一样。当反向电压的绝对值由零增大时，一开始反向电流略有增加，但随后即达到饱和；而后，若继续增大反向电压的绝对值，则增大到某一直后，反向电流突然急剧增大，P-N结反向击穿，这可能会导致管子损坏。向管子施加正向电压时，正向电流将几乎随电压升高而按指数规律上升。

在受到光照后，光电二极管的电压—电流特性曲线将沿着电流轴向平移，平移的幅度与光照的变化成正比。因此，有光照时，随光强变化，光电二极管的电压—电流特性曲线讲过三个象限。如图1.2所示

图1.2

② 反向工作电压Ur

光电二极管是在方向电压下工作的。在无光照条件下，光电二极管中反向电流不超过一定值（一般 0.2 0.3）时，所承受的最高反向电压，一般不大于10V，高者可达到50V。

③ 电流ID

光电二极管在无光照时，在最高工作电压下，在P-N结测得反向漏电流。通

μA。暗电流决定了低照度的测量界限，常在50V反压下，暗电流不大于0.1~0.2

并随着温度与反向偏压的大小变化，并且变化幅度大。暗电流小的管子，其工作性能稳定。

④ 光电流IL

光电流指的是管子在最高工作电压下，一定光照下，流过光电二极管的电流。测试时光源采用2850K色温的钨丝灯为光源，在1000Lx照度下，一般希望I值越大越好。

⑤ 光谱响应特性

硅光电二极管的光谱范围为400-1580nm，其峰值波长λ为800-900nm；锗光电二极管的光谱范围为600-1800nm，其峰值波长λ为1550-1580nm。当入射光的波长偏离峰值波长时，其接受灵敏度会下降。