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(shù)都小得多，加之制作硅器件采用的平面工藝使其管芯結(jié)構(gòu)很容易精確控制，因此，硅光電二極管得到了廣泛應(yīng)用。

? ? ?光電二極管的結(jié)構(gòu)及原理分析

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

　　PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無(wú)光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子（電子）和N區(qū)中的少數(shù)載流子（空穴）都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，只要光子能量hv大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加。這些載流子的數(shù)目，對(duì)于多數(shù)載流子影響不大，但對(duì)P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子來(lái)說(shuō)，則會(huì)使少數(shù)載流子的濃度大大提高，在反向電壓（P區(qū)接負(fù)，N區(qū)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(yīng)變化。光電流通過(guò)負(fù)載RL時(shí)，在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號(hào)如果入射光的照度改變，光生電子—空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過(guò)外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。

　　測(cè)量光電二極管的暗電流

　　測(cè)量光電二極管的暗電流，必須在一個(gè)不透光的密閉容器中進(jìn)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(yōu)點(diǎn)。要獲得光電二極管暗電流的溫度特性參數(shù)，必須在一個(gè)溫度范圍內(nèi)每隔$t℃進(jìn)行恒溫控制來(lái)測(cè)量暗電流。又因?yàn)楣怆姸O管暗電流非常小，在10-13～10-12A量級(jí)，所以設(shè)計(jì)關(guān)鍵有兩點(diǎn)：

　　（1）恒溫控制;

　?。?）微電流測(cè)量。

　　本設(shè)計(jì)用熱電致冷器件、溫度探測(cè)器和一個(gè)反饋放大電路構(gòu)成恒溫控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)微電流計(jì)來(lái)精確測(cè)量暗電流。

　　溫度控制系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)的一個(gè)重要器件是帕爾貼（Peltier）器件，又稱半導(dǎo)體熱電致冷器件，它的原理是帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)電流通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體的結(jié)時(shí)，該結(jié)致冷還是發(fā)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(jié)溫。實(shí)際的熱電致冷器件是由多對(duì)熱電對(duì)在電氣上串聯(lián)，在熱傳導(dǎo)上并聯(lián)組成的。熱電對(duì)由鉍碲化合物

　　摻雜形成的P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成，它們和銅片相連，銅片則與電氣絕緣而導(dǎo)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(dá)70℃，串聯(lián)（多層器件）使用可提高溫差，并聯(lián)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(cè)光電二極管緊貼恒溫塊表面，各導(dǎo)熱面之間均涂以導(dǎo)熱油。控制電路如圖2所示

　　作為溫度探測(cè)器的LM35具有線性好、工作范圍大（-55～+150℃）、工作電流?。ā?0LA）等優(yōu)點(diǎn)，并且可在4～20V下工作，自身產(chǎn)生的熱量非常小，輸出阻抗也很小。測(cè)試中將LM35裝在金屬塊的一個(gè)孔中，以監(jiān)視溫度.LM35輸出一個(gè)與攝氏溫度成正比的電壓（10mV/℃），送入一大功率運(yùn)算放大器OPA541的輸入端，此運(yùn)算放大器被接成比例式放大器。運(yùn)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(diào)節(jié)控制，即調(diào)節(jié)電位器就可以得到不同的恒溫溫度，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，運(yùn)放的負(fù)反饋會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)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(jì)的設(shè)計(jì)

　　測(cè)量光電二極管暗電流的微電流計(jì)主要由運(yùn)放TL061、5G7650和A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107構(gòu)成.TL061為高輸入阻抗、低功耗的運(yùn)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(shù)小于+50×10-6/℃的精密電阻，K為量程選擇開(kāi)關(guān)，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(hào)。設(shè)輸入電流為I，則輸出電壓為

　　U=I×R，

　　運(yùn)放5G7650使前級(jí)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)一步放大，其放大倍數(shù)為

　　KU=1+R2/R1.

　　其中R1、R2、R3要選擇阻值較大的精密電阻。經(jīng)兩級(jí)放大后的電壓信號(hào)送到顯示電路，顯示電路的核心是一片31/2位的A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107，ICL7107采用雙列直插封裝，有40個(gè)引出端.2～20腳、22～25腳為字段驅(qū)動(dòng)端。其中2～8腳是個(gè)位字段驅(qū)動(dòng)端，9～14腳和25腳為十位字段驅(qū)動(dòng)端，15～18腳和22～24腳為百位字段驅(qū)動(dòng)端，19～20腳為千位字段驅(qū)動(dòng)端。此數(shù)字面板表最大計(jì)數(shù)值為1999，當(dāng)超過(guò)此數(shù)值時(shí)，面板僅千位顯示“1”，其余各位消隱，表示過(guò)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(jì)的電流最小分辨率為（取中間級(jí)放大倍數(shù)KU=10）：

　　I=（100LV/10）/100m8=10-13A=0.1pA，

　　此分辨率足以對(duì)光電二極管暗電流進(jìn)行測(cè)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(shí)輸出電壓為0，故該表可顯示的溫度范圍為0～200℃，滿足測(cè)試要求

　　實(shí)踐與結(jié)果

　　暗電流隨溫度的變化而改變，是因?yàn)闇囟鹊纳呤箖r(jià)帶中的電子變得更活躍，而被激發(fā)到導(dǎo)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(lái)表示：

　　ID2=ID1×TCID（T2-T1） （1）

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

　　本文選用了兩個(gè)光電二極管（一為國(guó)產(chǎn)光電二極管，光敏面A=33mm2;另一為從日本HAMAMATSU公司進(jìn)口的光電二極管，光敏面A=100mm2）進(jìn)行了檢測(cè)。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(shù)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(guó)外資料進(jìn)行比較，作者將所測(cè)得的進(jìn)口光電二極管的暗電流數(shù)據(jù)處理成對(duì)數(shù)形式，然后給出對(duì)數(shù)坐標(biāo)的溫度特性圖。通過(guò)圖4的比較可以看出，作者所測(cè)得的溫度特性圖與HAMAMATSU公司給出的特性圖基本一致。在測(cè)試過(guò)程中，由于所測(cè)光電二極管暗電流為10-13～10-12A數(shù)量級(jí)，應(yīng)盡量避免噪聲的引入，故嚴(yán)格的屏蔽是本測(cè)試成敗的關(guān)鍵。此外，本設(shè)計(jì)除了可以對(duì)光電二極管暗電流的溫度特性進(jìn)行測(cè)量，還可以測(cè)量光電二極管光電流的溫度特性，當(dāng)然也可以測(cè)量一些小型光電器件某方面的溫度特性.