光敏二極管傳感器在幾個特定條件下的響應狀態分析

蘇震，梁小龍

(中國傳媒大學信息工程學院，北京 100024)

光敏二極管傳感器在幾個特定條件下的響應狀態分析

蘇震，梁小龍

(中國傳媒大學信息工程學院，北京 100024)

文章首先介紹了光敏二極管的傳感工作原理，接著在提出了恒壓假定和恒流假定的基礎之上，對光敏二極管工作時在特定條件下的電壓-電流關聯特性進行詳細的分析研究，并揭示了其光電變換特性的變化規律。從研究分析的結論中，可以清楚地看到光電二極管伏安特性曲線的形成過程及其與相關因素之間的內在聯系，全面知曉光電二極管的工作狀態的變化，正確拾取和利用傳感輸出信號。

光敏二極管;恒壓假定;恒流假定;光生電動勢;伏安特性

1引言

光敏二極管是最重要的光電傳感器之一。它的響應速度快，入射光量與輸出電流之間的轉換線性良好，輸出電流的溫度系數比較小，性能穩定。光敏二極管在生產制作工藝上已趨于成熟，產品性能的一致性良好，是目前應用最廣泛的基本光電傳感器件之一。

2 光敏二極管的傳感工作原理

光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態，當無光照射時，反向電阻很大，與普通二極管一樣。電路中僅有很小的反向漏電流，一般為10-7～10-11A，稱為暗電流，此時相當于光敏二極管截止。

當有光照射在光敏二極管的PN結上時，PN結附近受到光子的轟擊，半導體內部被束縛的價帶電子吸收光子能量被激發而產生出光生“電子-空穴”對，使P區和N區中的少數載流子(少子)濃度大大增加，形成光生伏特效應。當光敏二極管與外電路形成回路時，就形成了光電流。

如果入射光強度變化，光能激發出的光生“電子-空穴”對的濃度也相應變化，流過外電路的光電流強度也就隨之變化。光敏二極管具有將光信號轉換為電信號輸出的能力，即具有光電轉換功能。

3 光敏二極管在特定情況下的電流和電壓的分析

3.1 開路電壓和短路電流，如圖1(a)(b)

當有光照的情況下，由于光生伏特作用，在半導體內部產生了大量的光生自由空穴和自由電子。若PN結的兩端開路，我們把兩極間產生的光生電壓叫做開路電壓(U0);若PN結的兩端短路，則將兩極回路里所產生光生電流叫做短路電流(I0)。

圖1 光敏二極管在特定情況下的電流和電壓

3.2 光電二極管的PN結兩極的回路里只串聯了電阻R的情況，如圖1(c)

若PN結兩極的回路里串聯了電阻R，則回路里就會有電流IR，并且光電二極管兩端仍會有端電壓UR。光照功率不變時，R的兩端電壓UR和其中電流IR之間關系，如圖2中的曲線(2)的R段所示。

當R很大時，端電壓UR，對于R的變化，逐漸表現出恒壓的特征;當R很小時，回路電流IR，對于R的變化，逐漸表現出恒流的特征;當R值適中而變化時，R兩端電壓UR和回路電流IR的變化特征，如圖2中(2)曲線中的R段。

圖2 光電二極管中的電壓-電流特性

3.3 光電二極管PN結加上反向電壓EF，并串入電阻RF的情況，如圖1(d)

當光照功率恒定不變，當電阻RF變化時，光電二極管中電壓、電流的狀態:

1)調節RF，可以使PN結兩端電壓UF變為0，即:

這時RF上的壓降值就等于EF;回路電流IF也就成為短路電流I0，這時RF的值就是:

這種情況，就如同PN結短接時的短路電流情況。如圖2中曲線(2)中的I0點。

2)當RF再減小時，即:RF＜時，由于光生電流IF有保持恒定的趨向，因而假定PN結兩端電壓UF在0V附近向正、負方向微變時，回路電流IF恒定為短路電流I0，則PN結兩端電壓為:

即UF為正值。亦即表明:PN結兩端電壓為外加的反向電壓狀態(與EF同向)，并且回路電流IF也為反向電流狀態。PN結加反向電壓時，回路電流IF主要由光能決定，因而約等于短路電流I0，此時光電二極管中電壓、電流的情況如圖2中曲線(2)中的F段，此即為光電二極管處于加反向偏壓的工作狀態。

3)當RF又增大時，即:RF＞

電流IF有繼續保持恒定的趨向，仍假定:PN結兩端電壓UF在0V附近向正、負方向微變時，回路電流IF仍恒定為短路電流I0，則PN結兩端電壓:

由式(4)知UF變為負數。UF變為負數即意味著PN結兩端開始產生了光生電動勢。這時PN結兩端電壓方向反轉，變為正向電壓。UF變為PN結上的光生電動勢，PN結兩端變為正向偏置，RF上的壓降值等EF與UF同向相加。但這時PN結中流過的電流卻仍然是反向電流，這是因為PN結中流過的電流相當于電源內部的電流，是由負極(N區)流向正極(P區)的。這時，光電二極管中電壓、電流的情況就開始進入了圖2里曲線(2)中的R段(PN結中電壓為正向，電流卻為反向電流)。

4)若電阻RF繼續增大，就如圖2里曲線(2)中的R段，PN結兩端的光生電壓UF也將隨之增大，回路電流IF也由恒定向減小的方向變化。

5)當RF增為無窮大時，回路電流IF= 0;PN結兩端的光生電壓UF即成為開路光生電壓U0，即變為UF=U0。

3.4 光電二極管PN結加上正向電壓EZ，并串入電阻RZ的情況，如圖1(e)

如果給光電二極管加上正向電壓EZ，當使EZ＞U0時，EZ使光電二極管的PN結處于正向偏置，并且在正向電壓UZ作用下，PN結中流過正向電流IZ。這種情況就進入了圖2里曲線(2)的Z段。這時的光電二極管相當于外加電源EZ的一個負載。這種情況，只用于理論分析，實際使用中光電二極管一般不工作于這種狀態中。

3.5 無光照射時的分析，如圖1(f)(g)

無光照射時的情況，其特性與普通二極管類似。

1)圖1(f)的情況下:這時的PN結兩端，在正向電壓U的作用下，光電二極管中有正向電流Id，此時光電二極管中電壓、電流的情況如圖2中(1)曲線的H段。

無光照射，而加正向電壓時，如圖1(f)。光電二極管中的正向電流Id與普通二極管相同;即:

式中:

q:電子電量;(q=1.6 ×10-19C)

k:波爾茲曼常數;(k=1.3807 ×10-23J/K);

T:絕對溫度;

U:PN結的兩端在所加電壓(正向電壓時為正值);

Is:光電二極管中的反向飽和電流的數量;這種情況下，光電二極管中的正向電流Id和正向電壓U的關系，可參考圖2中(1)曲線的H段。

2)圖1(g)的情況下:無光照射，且在PN結兩端加上反向電壓Us，此時流過光電二極管中的反向電流(無光照射時的反向電流也稱作暗電流)仍由式(5)決定，只是式中U取負值(即加反向電壓)。反向電流與正向電流Id方向相反。當U趨向于-∞時，光電二極管中的反向電流即趨于反向飽和電流Is;這種情況下，光電二極管中的反向飽和電流Is和反向電壓-U的關系，可參考圖2中(1)曲線的S段。此時光電二極管中電壓、電流的情況參考圖2中(1)曲線的S段。

4 光功率的變化對光電二極管的伏安特性的影響分析

4.1 光功率與光電二極管電流之間的關系分析

1)光敏二極管的量子效率(Quantum Efficiency)為η;

設單位時間內入射到光敏二極管受光面的光子數為Np，而相應激發產生出的光電子數為Ne，則這個光敏二極管的量子效η為Ne與Np的比值，即:

上式中:P為入射光的物理輻射功率;IP為在P功率光照射下光敏二極管中產生的光電流。這樣，將(7)代入(6)，則光敏二極管的光量子效率η又可表示為:

式中:λ為入射光的波長;h為普朗克常數(6.626×10-34J·S);q為電子電量;c為光速。

2)光電二極管中的光電流IP與入射光功率P的關系:

由上式(8)可以看出，光生電流IP和入射光功率P的關系可以表示為:

由式(9)又可以看出，在入射光的波長(光源)和光敏器件(材料)一定時可以看成一個常數，并且即為光電二極管傳感器的響應度Sw，因此可以令:

將響應度Sw代入式(9)，這樣，在光電二極管中由光生伏特效應產生的光電流Ip可寫為:

上式(11)表明:在光電二極管的PN結上，由光生伏特效應產生的光電流Ip與入射光的輻射功率P成正比。因此，光電二極管的入射光功率與輸出電流之間的變換關系具有良好的線性。

3)光電二極管中的短路光電流I0與入射光功率P的關系

圖1(b)的情況相當于光電二極管PN結中光電流Ip的一種特殊情況，即PN結兩端短路時的情況。這時的光電流Ip就是短路光電流Ip;當光照功率為P時，由于Ip=I0;則式(10)就可以表示為:

由式(11)可見:在光電二極管的PN結上，由光生伏特效應產生的短路電流I0與入射光的輻射功率P成正比。因此，光電二極管的入射光功率P與短路光電流之間具有良好的線性關系。在有光照射的情況下，光電二極管中的短路電流I0，可參考圖2中(2)曲線的U=0時的情況(I0點)。

4.2 光功率與光電二極管電壓之間的關系分析

PN結兩端的光生伏特電壓為U0，如圖2所示，曲線(2)中的I=0時的情況(U0點)，可以認為:由光生伏特電壓U0產生的正向電流Id，恰與光生電流I0的方向相反，因而相互平衡，抵消掉了。因此有:

又根據式(5)PN結基本關系式，可知PN結兩端開路，PN結中電流I=0時，如下關系成立:

整理上式，并取以e為底的對數可得:

由式(12)，將I0=Sw·P代入式(16)，可得光生伏特電壓U0與輸入光功率P的關系如下:

由此可見，PN結兩端開路時，光電二極管兩端的光生伏特電壓U0與輸入光功率P的對數成正比。

5 結束語

本文在對光電二極管電壓-電流關聯特性的分析中，討論了各種因素(電壓、電流、負載、光功率)變化情況下伏安特性曲線的變化過程，提出了恒壓假定和恒流假定。并在此基礎上揭示出了光電二極管在各種特定條件下，光電變換特性的變化規律。從各項分析結論中，可以清楚地看到光電二極管伏安特性曲線的形成過程及其與相關因素之間的內在聯系，這些結論在全面知曉光電二極管的工作狀態和輸出信號正確拾取方面具有重要意義。

［1］Thomas P.Photonics Essentials［M］.U.S.state of Washington:SPIE Publications，2006.

［2］Amnon Yariv.Optical Electronics in Modern Communications［M］.U.S.state of New York:Oxford University Press，USA，1997.

［3］金光義彥，深津晉.シリコン·フォトニクス——先端光テクノロジーの新展開［M］.日本東京:オーム出版社，2007.

［4］蘇震.現代傳感技術［M］.北京:電子工業出版社，2011.

Analysis on the Voltage-current Characteristics of Photodiode under the Certain Conditions

SU Zhen，LIANG Xiao-long
(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

First，the operating principle of the photodiode is reviewed.Then，under the certain conditions，the voltage-current characteristics of photodiode are analyzed theoretically basing on the assumption of constant voltage and constant current.And the conclusions are proposed latter.

photodiode;constant voltage assumption;constant current assumption;optical voltage;voltage-current characteristic

TN364

A

1673-4793(2012)01-0019-05

2011-12-23

蘇震(1961-)，男(漢族)，北京市人，中國傳媒大學副教授，中國電子學會高級會員.E-mail:sz100hz@163.com

(責任編輯

:宋金寶)