南京理工大学光电子与微电子综合实验实验报告.doc

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 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。 实验内容 光电二极管结构及外形设计； 光电二极管技术参数设计； 光电二极管管芯设计； 光电二极管材料性能设计； 光电二极管工艺流程设计； 光电二极管工艺参数设计； 光电二极管测试方法； 光刻掩膜板设计； 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 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。 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 反向工作电压 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0.20.3） 电流 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。通常在50V反压下，暗电流不大于。暗电流决定了低照度的测量界限，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。 光电流 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1000照度下，一般希望I值越大越好。 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。 光电二极管入射光角分布 硅光电二极管有多种封装形式。常见的有金属外壳加入射窗封装，入射窗口又分为透镜型和平面型等。透镜型有聚光作用，有利于提高探测灵敏度，还能减小杂散光的干扰，缺点是探测灵敏度会随着反向而变化。平面镜型对入射光反向要求不严格，但是受背景杂散光的干扰。 光电响应度 光电响应度是指在给定波长的入射光下，输入单位光功率P时，光电二极管输出的信号强度。一般以每微瓦入射光能量所产生的光电流I表示，又称为光电灵敏度。光电响应度是衡量光电二极管对光敏感程度的一个重要指标。 测响应时间 响应时间是指光电二极管在一定的反向偏压和一定负载阻值的条件下，在输入矩形光脉冲时，光电二极管将光信号转化为电信号的响应时间，包括开通延迟时间，脉冲上升时间和脉冲下降时间。 结电容 结电容是指在无光照并在规定的偏向电压下，测得的光电二极管P-N结电容值。 实验