光电器件暗电流

定义

暗电流（dark current）指光电器件在无入射光（或入射光可忽略）条件下，由外加偏压或内建电场驱动而流过器件的电流。它是在“光生载流子应当为零”这一理想条件下实际存在的残余电流，因此构成光电流测量的本底。

对光敏二极管、光敏三极管等结型光电器件，暗电流通常以反向电流形式出现，单位一般为安培（A）或其导出单位 mA、μA、nA。

产生机理

暗电流并非单一来源，主要包含：

• 反向饱和电流：PN 结在反向偏置下，少子在结区附近扩散并被电场抽取形成的电流。
• 耗尽区产生电流：耗尽区内通过复合中心产生的电子—空穴对，被电场分离后形成的电流。
• 表面漏电流：器件表面缺陷、沾污或钝化不良引起的泄漏。

各电流分量对温度的依赖程度不同：扩散反向饱和电流通常正比于本征载流子浓度的平方（含 $n_i^2$ 因子），耗尽区产生电流通常正比于本征载流子浓度（含 $n_i$ 因子），表面漏电流的温度关系则与表面态和工艺有关。因此哪一分量主导暗电流及其温度关系，取决于器件结构、材料、偏压和温度区间，不能普遍断言耗尽区产生电流的温度关系最强。

温度关系

暗电流对温度极为敏感。对以产生—复合电流为主的结型器件，暗电流可写成

其中 $I_d$ 为暗电流（A），$T$ 为热力学温度（K），$E_g$ 为半导体禁带宽度，$k$ 为玻尔兹曼常数；$E_g$ 与 $k$ 必须取相同能量单位，例如 $E_g$ 用 eV 时 $k$ 须用 eV/K，$k$ 用 J/K 时 $E_g$ 须换算为 J，$\exp$ 项体现载流子热激发随温度指数增长。

因此暗电流随温度升高呈近似指数增长；温度每升高一定数值，暗电流可成倍增加。相比之下，光电流主要由入射光通量决定，温度影响较小，通常表现为缓慢变化。

对测量的影响

实际测得的总电流为

其中 $I_{\text{ph}}$ 为光电流（A），$I_d$ 为暗电流（A）。

• 强光下 $I_{\text{ph}}\gg I_d$，暗电流影响可忽略。
• 弱光下 $I_{\text{ph}}$ 很小，$I_d$ 可与信号相比甚至更大，导致信噪比下降、测量下限受限。
• 温度漂移使 $I_d$ 变化，若不补偿，会把温度变化误判为光强变化。

抑制与补偿

• 温度补偿：利用温度传感器或补偿电路，对暗电流随温度的变化进行修正。
• 制冷：降低器件工作温度，按上述指数关系显著减小暗电流。
• 调制与交流测量：对入射光进行调制，用交流耦合抑制缓变的暗电流分量。
• 零暗电流偏置：在允许时采用零偏或小反偏，减小耗尽区产生电流与漏电流。

适用范围

上述定义与温度关系适用于以 PN 结或类似耗尽区结构为基础的光电器件，如光敏二极管、光敏三极管。具体暗电流数值、温度系数与器件结构、材料、偏压和工艺有关，应以器件手册给出的条件为准。