光敏二极管传感器在几个特定条件下的响应状态分析

苏震，梁小龙

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

光敏二极管传感器在几个特定条件下的响应状态分析

苏震，梁小龙

(中国传媒大学信息工程学院，北京 100024)

文章首先介绍了光敏二极管的传感工作原理，接着在提出了恒压假定和恒流假定的基础之上，对光敏二极管工作时在特定条件下的电压-电流关联特性进行详细的分析研究，并揭示了其光电变换特性的变化规律。从研究分析的结论中，可以清楚地看到光电二极管伏安特性曲线的形成过程及其与相关因素之间的内在联系，全面知晓光电二极管的工作状态的变化，正确拾取和利用传感输出信号。

光敏二极管;恒压假定;恒流假定;光生电动势;伏安特性

1引言

光敏二极管是最重要的光电传感器之一。它的响应速度快，入射光量与输出电流之间的转换线性良好，输出电流的温度系数比较小，性能稳定。光敏二极管在生产制作工艺上已趋于成熟，产品性能的一致性良好，是目前应用最广泛的基本光电传感器件之一。

2 光敏二极管的传感工作原理

光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，当无光照射时，反向电阻很大，与普通二极管一样。电路中仅有很小的反向漏电流，一般为10-7～10-11A，称为暗电流，此时相当于光敏二极管截止。

当有光照射在光敏二极管的PN结上时，PN结附近受到光子的轰击，半导体内部被束缚的价带电子吸收光子能量被激发而产生出光生“电子-空穴”对，使P区和N区中的少数载流子(少子)浓度大大增加，形成光生伏特效应。当光敏二极管与外电路形成回路时，就形成了光电流。

如果入射光强度变化，光能激发出的光生“电子-空穴”对的浓度也相应变化，流过外电路的光电流强度也就随之变化。光敏二极管具有将光信号转换为电信号输出的能力，即具有光电转换功能。

3 光敏二极管在特定情况下的电流和电压的分析

3.1 开路电压和短路电流，如图1(a)(b)

当有光照的情况下，由于光生伏特作用，在半导体内部产生了大量的光生自由空穴和自由电子。若PN结的两端开路，我们把两极间产生的光生电压叫做开路电压(U0);若PN结的两端短路，则将两极回路里所产生光生电流叫做短路电流(I0)。

图1 光敏二极管在特定情况下的电流和电压

3.2 光电二极管的PN结两极的回路里只串联了电阻R的情况，如图1(c)

若PN结两极的回路里串联了电阻R，则回路里就会有电流IR，并且光电二极管两端仍会有端电压UR。光照功率不变时，R的两端电压UR和其中电流IR之间关系，如图2中的曲线(2)的R段所示。

当R很大时，端电压UR，对于R的变化，逐渐表现出恒压的特征;当R很小时，回路电流IR，对于R的变化，逐渐表现出恒流的特征;当R值适中而变化时，R两端电压UR和回路电流IR的变化特征，如图2中(2)曲线中的R段。

图2 光电二极管中的电压-电流特性

3.3 光电二极管PN结加上反向电压EF，并串入电阻RF的情况，如图1(d)

当光照功率恒定不变，当电阻RF变化时，光电二极管中电压、电流的状态:

1)调节RF，可以使PN结两端电压UF变为0，即:

这时RF上的压降值就等于EF;回路电流IF也就成为短路电流I0，这时RF的值就是:

这种情况，就如同PN结短接时的短路电流情况。如图2中曲线(2)中的I0点。

2)当RF再减小时，即:RF＜时，由于光生电流IF有保持恒定的趋向，因而假定PN结两端电压UF在0V附近向正、负方向微变时，回路电流IF恒定为短路电流I0，则PN结两端电压为:

即UF为正值。亦即表明:PN结两端电压为外加的反向电压状态(与EF同向)，并且回路电流IF也为反向电流状态。PN结加反向电压时，回路电流IF主要由光能决定，因而约等于短路电流I0，此时光电二极管中电压、电流的情况如图2中曲线(2)中的F段，此即为光电二极管处于加反向偏压的工作状态。

3)当RF又增大时，即:RF＞

电流IF有继续保持恒定的趋向，仍假定:PN结两端电压UF在0V附近向正、负方向微变时，回路电流IF仍恒定为短路电流I0，则PN结两端电压:

由式(4)知UF变为负数。UF变为负数即意味着PN结两端开始产生了光生电动势。这时PN结两端电压方向反转，变为正向电压。UF变为PN结上的光生电动势，PN结两端变为正向偏置，RF上的压降值等EF与UF同向相加。但这时PN结中流过的电流却仍然是反向电流，这是因为PN结中流过的电流相当于电源内部的电流，是由负极(N区)流向正极(P区)的。这时，光电二极管中电压、电流的情况就开始进入了图2里曲线(2)中的R段(PN结中电压为正向，电流却为反向电流)。

4)若电阻RF继续增大，就如图2里曲线(2)中的R段，PN结两端的光生电压UF也将随之增大，回路电流IF也由恒定向减小的方向变化。

5)当RF增为无穷大时，回路电流IF= 0;PN结两端的光生电压UF即成为开路光生电压U0，即变为UF=U0。

3.4 光电二极管PN结加上正向电压EZ，并串入电阻RZ的情况，如图1(e)

如果给光电二极管加上正向电压EZ，当使EZ＞U0时，EZ使光电二极管的PN结处于正向偏置，并且在正向电压UZ作用下，PN结中流过正向电流IZ。这种情况就进入了图2里曲线(2)的Z段。这时的光电二极管相当于外加电源EZ的一个负载。这种情况，只用于理论分析，实际使用中光电二极管一般不工作于这种状态中。

3.5 无光照射时的分析，如图1(f)(g)

无光照射时的情况，其特性与普通二极管类似。

1)图1(f)的情况下:这时的PN结两端，在正向电压U的作用下，光电二极管中有正向电流Id，此时光电二极管中电压、电流的情况如图2中(1)曲线的H段。

无光照射，而加正向电压时，如图1(f)。光电二极管中的正向电流Id与普通二极管相同;即:

式中:

q:电子电量;(q=1.6 ×10-19C)

k:波尔兹曼常数;(k=1.3807 ×10-23J/K);

T:绝对温度;

U:PN结的两端在所加电压(正向电压时为正值);

Is:光电二极管中的反向饱和电流的数量;这种情况下，光电二极管中的正向电流Id和正向电压U的关系，可参考图2中(1)曲线的H段。

2)图1(g)的情况下:无光照射，且在PN结两端加上反向电压Us，此时流过光电二极管中的反向电流(无光照射时的反向电流也称作暗电流)仍由式(5)决定，只是式中U取负值(即加反向电压)。反向电流与正向电流Id方向相反。当U趋向于-∞时，光电二极管中的反向电流即趋于反向饱和电流Is;这种情况下，光电二极管中的反向饱和电流Is和反向电压-U的关系，可参考图2中(1)曲线的S段。此时光电二极管中电压、电流的情况参考图2中(1)曲线的S段。

4 光功率的变化对光电二极管的伏安特性的影响分析

4.1 光功率与光电二极管电流之间的关系分析

1)光敏二极管的量子效率(Quantum Efficiency)为η;

设单位时间内入射到光敏二极管受光面的光子数为Np，而相应激发产生出的光电子数为Ne，则这个光敏二极管的量子效η为Ne与Np的比值，即:

上式中:P为入射光的物理辐射功率;IP为在P功率光照射下光敏二极管中产生的光电流。这样，将(7)代入(6)，则光敏二极管的光量子效率η又可表示为:

式中:λ为入射光的波长;h为普朗克常数(6.626×10-34J·S);q为电子电量;c为光速。

2)光电二极管中的光电流IP与入射光功率P的关系:

由上式(8)可以看出，光生电流IP和入射光功率P的关系可以表示为:

由式(9)又可以看出，在入射光的波长(光源)和光敏器件(材料)一定时可以看成一个常数，并且即为光电二极管传感器的响应度Sw，因此可以令:

将响应度Sw代入式(9)，这样，在光电二极管中由光生伏特效应产生的光电流Ip可写为:

上式(11)表明:在光电二极管的PN结上，由光生伏特效应产生的光电流Ip与入射光的辐射功率P成正比。因此，光电二极管的入射光功率与输出电流之间的变换关系具有良好的线性。

3)光电二极管中的短路光电流I0与入射光功率P的关系

图1(b)的情况相当于光电二极管PN结中光电流Ip的一种特殊情况，即PN结两端短路时的情况。这时的光电流Ip就是短路光电流Ip;当光照功率为P时，由于Ip=I0;则式(10)就可以表示为:

由式(11)可见:在光电二极管的PN结上，由光生伏特效应产生的短路电流I0与入射光的辐射功率P成正比。因此，光电二极管的入射光功率P与短路光电流之间具有良好的线性关系。在有光照射的情况下，光电二极管中的短路电流I0，可参考图2中(2)曲线的U=0时的情况(I0点)。

4.2 光功率与光电二极管电压之间的关系分析

PN结两端的光生伏特电压为U0，如图2所示，曲线(2)中的I=0时的情况(U0点)，可以认为:由光生伏特电压U0产生的正向电流Id，恰与光生电流I0的方向相反，因而相互平衡，抵消掉了。因此有:

又根据式(5)PN结基本关系式，可知PN结两端开路，PN结中电流I=0时，如下关系成立:

整理上式，并取以e为底的对数可得:

由式(12)，将I0=Sw·P代入式(16)，可得光生伏特电压U0与输入光功率P的关系如下:

由此可见，PN结两端开路时，光电二极管两端的光生伏特电压U0与输入光功率P的对数成正比。

5 结束语

本文在对光电二极管电压-电流关联特性的分析中，讨论了各种因素(电压、电流、负载、光功率)变化情况下伏安特性曲线的变化过程，提出了恒压假定和恒流假定。并在此基础上揭示出了光电二极管在各种特定条件下，光电变换特性的变化规律。从各项分析结论中，可以清楚地看到光电二极管伏安特性曲线的形成过程及其与相关因素之间的内在联系，这些结论在全面知晓光电二极管的工作状态和输出信号正确拾取方面具有重要意义。

［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］金光義彦，深津晋.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］苏震.现代传感技术［M］.北京:电子工业出版社，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

苏震(1961-)，男(汉族)，北京市人，中国传媒大学副教授，中国电子学会高级会员.E-mail:sz100hz@163.com

(责任编辑

:宋金宝)