23090

ФОТОДІОДИ

Лабораторная работа

Физика

У рівноважному стані рівні Фермі обох напівпровідників вирівнюються а енергетичні зони утворять потенційний бар'єр для основних носіїв мал. Мал. При прикладанні до pnпереходу зовнішньої напруги в прямій полярності тобто до pобласті та до nобласті бар'єр знижується мал. При зворотному зміщенні pnпереходу зовнішнє поле складається з внутрішнім підвищуючи потенційний бар'єр мал.

Украинкский

2013-08-04

172 KB

21 чел.

6

ФОТОДІОДИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОПТИКИ

ПРАКТИКУМ “ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ”

3

Дослідження характеристик фотодіода

КИЇВ 2001


Список лабораторних робіт та додаткових матеріалів практикуму

“Оптико-електронні прилади і системи”

--------------------------------------------------------------------------------------------

  1.  Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача.
  2.  Дослідження характеристик фоторезистора.
  3.  Дослідження характеристик фотодіода.
  4.  Електрометричний вимірювач струму.
  5.  Синхронний детектор.
  6.  Метод лічби одноелектронних імпульсів.
  7.  Вимірювання форми імпульсу випромінювання.
  8.  Реєстрація спектрів пропускання.
  9.  Реєстрація спектрів випромінювання.
  10.  Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів.
  11.  Вимірювання абсолютної та порогової чутливості фотоприймача.
  12.  Методи модуляційної спектроскопії.
  13.  Мікрофотометри.

  1.  Терміни та визначення
  2.  Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Функція Планка.
  3.  Опис спектрофотометра СФ-5

У цій лабораторній роботі Ви познайомитеся з принципом роботи, будовою, характеристиками фотодіода (ФД), особливостями режимів його роботи як приймач оптичного випромінювання.

Теоретична частина

Фотодіодами називають фотоприймачі, що містять p-n-перехід, і робота яких як приймачів випромінювання заснована на явищах, що проходять у приконтактній області між двома різними матеріалами (метал-напівпровідник, напівпровідник-напівпровідник).

Розглянемо контакт напівпровідників різної провідності  (p- і n-типу). У рівноважному стані рівні Фермі обох напівпровідників вирівнюються, а енергетичні зони утворять потенційний бар'єр для основних носіїв (мал.1а), який приблизно дорівнює ширині забороненої зони.

Мал.1. Енергетичні діаграми, що пояснюють вольт-амперні характеристики p-n-переходу.

Така система з внутрішнім потенційним бар'єром знаходиться в рівновазі у відсутності зовнішнього поля і освітлення; потоки електронів та дірок через контактний перехід врівноважують одне одного:

 (для електронів),   (1)

 (для дірок),         (2)

де nn - концентрація електронів у n-області,  nр - те ж у p-області, рn - концентрація дірок у n-області,  рр - те ж у p-області. Якщо зовнішні контакти двох областей замкнути через зовнішню ланку, то струм у цій ланці не потече.

При прикладанні до p-n-переходу зовнішньої напруги в прямій полярності (тобто, "+" до p-області та "-" до n-області) бар'єр знижується (мал.1б) і струм основних носіїв буде збільшуватися пропорційно exp(eU/kT), де е - заряд електрона, a U - прикладена напруга. При зворотному зміщенні p-n-переходу зовнішнє поле складається з внутрішнім, підвищуючи потенційний бар'єр (мал.1в) і перешкоджаючи дифузії основних носіїв через бар'єр. При величині зворотної напруги Urev > kT/e дифузійний струм основних носіїв практично припиняється і в зовнішній ланці тече невеликий струм неосновних носіїв.

Вольт-амперна характеристика електронно-діркового переходу, що відбиває описані події і показана на  мал.2 (крива 1), достатньо добре представляється наступним виразом:

,   (3)

Мал. 2. Вольт-амперна характеристика фотодіода.

Мал. 3. Схеми включення фотодіода; а – фотодіодна, б - фотогальванічна,

де i0- зворотний струм p-n-переходу, утворений неосновними носіями. Вольт-амперна характеристика освітленого ФД має вигляд:

,   (4)

де  - число фотонів, що поглинаються в об`ємі напівпровідника за одиницю часу, - коефіцієнт збору (при малій глибині залягання p-n-переходу - близький до одиниці), - квантовий вихід внутрішнього фотоефекта, P - потужність падаючого випромінювання. Ця характеристика показана на мал.2 (крива 2).

Розрізняють два режими роботи ФД: фотодіодний - зі зворотним зміщенням (мал.2 - квадрант III, мал. За) і фотогальванічний чи вентильний - без зовнішнього джерела живлення (мал. 2 - квадранти IV,I, мал.3б).

У фотодіодному режимі першим членом (4) можна знехтувати (U - негативне):

.   (5)

Таким чином, світлова характеристика - лінійна. У фотогальванічному режимі розрізняють два випадки: 1) фотогальванічний режим короткого замикання RH=0 (isc представлений відрізком на мал.2)  і  2) фотогальванічний режим холостого ходу (Uxx- представлено відрізком 0б) RH  .

У режимі короткого замикання U0 = 0 = Ri. З (4):

.

Вважаючи для спрощення   = 1, маємо:

.   (6)

Таким чином, світлова характеристика виявляється лінійною. Однак, в дійсності R не можна зробити рівним нулю. У загальному випадку:

,   (7)

де R = RH + r, r - внутрішній опір ФД. Нехай R малий настільки, що iR < kT/e (kT/e = 0,02 В при кімнатній температурі). У реальних випадках R =103 Ом, imax =10-6 A, Ri < 0,001 В). Розкладаючи останній член (7) у ряд і обмежуючись лінійними членами, одержимо:

.   (8)

Світлова характеристика й у цьому випадку залишається лінійної (хоча чутливість небагато менша), тобто цей режим при eRi/kT < 1 зберігає всі переваги фотодіодного режиму.

У режимі холостого ходу (або фото-е.р.с) з (4) маємо:

.   (9)

Видно, що світлова характеристика змінюється пропорційно lnР і залежить від величини зворотного струму через перехід...

Спектральна чутливість визначається виразом:

;   (10)

.   (11)

Типові криві спектральної чутливості реальних фотодіодів наведені на мал.4.

Мал.4. Криві спектральної чутливості фотодіодів.

Порівнюючи всі режими роботи ФД, можна сказати наступне. У фотодіодному режимі ФД має більш високу чутливість по напрузі: величина фотоструму практично не змінюється при включенні великого навантажувального опору (мал.2). Отже, і сигнал, що знімається з RH, може досягати великої величини, тому що внутрішній диференціальний опір ФД у фотодіодному режимі, обумовлений нахилом вольт-амперних характеристик, дуже великий ( >107Ом). Однак, варто пам'ятати, що досить широкий динамічний діапазон світлової характеристики може бути отриманий лише при використанні реєстратора струму (Rin  0). Друга перевага фотодіодного режиму перед фотогальванічним - менша інерційність (розсмоктування носіїв прискорюється зовнішнім електричним полем).

У свою чергу фотогальванічний режим відрізняється двома важливими особливостями - відсутністю джерела живлення, що значно спрощує використання ФД у малогабаритній апаратурі, і надзвичайно низьким рівнем шумів через відсутність темнового струму, флуктуації і температурний дрейф якого найчастіше і визначають цей рівень. Вибір же того чи іншого режиму роботи в кожнім конкретному випадку визначається сумою вимог, висунутих до фотоприймача в заданих умовах його застосування.

Фотодіоди - малоінерційні приймачі випромінювання. У звичайних фотодіодів, у конструкції яких не передбачено спеціальних заходів для підвищення швидкодії, постійна часу визначається часом дифузії неосновних носіїв через перехід. При товщині переходу в декілька мікрометрів час дифузії може бути 10-7...10-8 с.

На відміну від фоторезисторів, інерційність ФД не залежить від рівня збудження, тобто від потужності потоку випромінювання. Низький рівень шуму і висока чутливість ставить їх в один ряд з фотоприймачами високої граничної чутливості і дозволяє використовувати їх для вимірювання дуже малих потоків випромінювання (Pmin  10-12 Вт).

На закінчення слід зауважити що ФД, які випускаються на поточний час можуть працювати у всіх режимах (крім селенових фотоелементів, які застосовуються тільки у фотогальванічному режимі холостого ходу).

Створення фотометрів на основі ФД

Найчастіше вживаний на практиці фотодіодний режим роботи застосовується як з реєстраторами постійного, так і змінного струму. У першому випадку (мал.5а) необхідно використовувати ФД із малим темновими струмом, щоб виключити додаткові пристрої компенсації темнового струму та його значний температурний  дрейф. У зв'язку з цим дуже ефективне використання модуляційного способу реєстрації (мал.5б) із застосуванням синхронного детектування.

Мал.5. Схеми включення ФД у фотодіодному режимі: а) - за постійним струмом, б) - за модуляційною методикою.

Мал.6. Схеми включення ФД у фотогальванічному режимі: а - короткого замкнення, б - холостого ходу.

Дуже простим за реалізацією є фотогальванічний режим короткого замкнення (мал.6а). У цьому випадку застосовуються підсилювачі з паралельним негативним зворотним зв'язком за напругою (перетворювачі струм-напруга), які мають малий вхідний імпеданс.

Для реалізації фотогальванічного режиму холостого ходу (мал.6б) потрібне застосування підсилювачів з дуже високим вхідним опором. Для цих цілей застосовуються повторювачі напруги (Uout = Uxx). Такий режим використовується досить рідко і лише в тих випадках, коли в межах однієї шкали потрібно вимірювати потоки випромінювання, що змінюються на декілька порядків (фотоекспонометри).

Експериментальна установка побудована на базі спектрофотометра СФ-5, у якому у відсік приймачів випромінювання установлені фотодіоди. На лицьову панель спектрофотометра виведені потенціометр, що змінює напругу зворотного зсуву на фотодіоді, а також стрілочний індикатор цієї напруги. Реакція фотодіода реєструється універсальним вимірювальним приладом типу В7-21. З призначенням  інших органів керування можна ознайомитися, звернувшись до інструкції з експлуатації спектрофотометра СФ-5.

Завдання

Перед початком роботи уважно ознайомтеся з усіма матеріалами і літературою, пропонованими до даної лабораторної роботи. Перед початком вимірів спробуйте спрогнозувати свої дії. При необхідності, частіше радьтеся з викладачем або лаборантом.

1. Дослідити залежність темнового струму і фотоструму ФД від напруги зворотного зсуву. Побудувати графіки (у лінійному масштабі) і пояснити отримані залежності. Визначити зворотний струм фотодіода й оцінити струм утоку ФД.

2. Зробити перевірку лінійності світлової характеристики у фотодіодному режимі і фотогальванічному режимі короткого замкнення методом "пробного фільтра".

Корисні поради;

* установити фільтр на каретці кюветного відділення так, щоб мати можливість при зміні положення каретки вводити і виводити фільтр з потоку випромінювання;

* порядок операцій, що рекомендується:

1) у відсутності фільтра розкриттям щілини установити значення фотоструму, що відповідає максимально можливому відліку вимірювача фотоструму;

2) переміщенням каретки кюветного відділення увести фільтр і зробити відлік;

3) зменшити ширину щілини настільки, щоб показання приладу змінилося приблизно в 3 рази, і після введення фільтра зробити відлік;

4) повторити операції п.З) для всіх можливих величин розкриття щілини і чутливості вимірювача струму;

довжина хвилі, що рекомендується - 1000 нм.

Довести, що незмінність відношення реакції фотодіода з фільтром і без нього для всіх значень інтенсивності падаючого на ФД випромінювання свідчить про лінійність світлової характеристики фотодіода.

3. Виміряти світлову характеристику фотодіода у фотогальванічному режимі холостого ходу. Побудувати графік цієї залежності в напівлогарифмічному масштабі.

Корисний поради:

* при вимірах використовуйте властивість лінійності світлової характеристики ФД у режимі короткого замкнення;

* зверніть увагу на можливе ненульове значення напруги холостого ходу при відсутності випромінювання...

4. Вимірити і побудувати криву відносної спектральної чутливості фотодіода. Визначити матеріал ФД. Корисні поради:

* відліки рекомендується робити в діапазоні довжин хвиль від 600 до 1200 нм через кожні 20 нм (при необхідності відліки можна робити частіше);

* для розрахунків кольорову температуру джерела випромінювання прийняти рівною 2500 К;

  •  регулярно контролюйте показання вимірювального приладу при закритому фотодіоді і вводьте відповідне виправлення відліків при вимірюванні фотоструму. Визначте довжину хвилі максимуму чутливості, область чутливості, а також червону границю фотоефекта. Порівняйте отримані результати з паспортними даними фотодіода.

Характеристики фотодіодів

Тип ФД

, мм

Матеріал

, мкм

Urev, V

Ιd,  мкА

S, А/Вт

 , мкс

Масса, г  

ФД-7К

10

Si

0,4-1,1

27

<5

>0,3 (0,9мкм)

10

10

ФД-11К

2,5

Si

0,5-1,15

10

<0,2

>0,25 (0,9мкм)

5

3,0

ФД-21КП

1,55

Si

0,4-1,1

10

<0,02

>0,2

(0,9мкм)

610-3 

1,0

ФД-256

1,37

Si

0,4-1,1

10

<0,005

>0,6

(0,9мкм)

210-3 

1,0

Література

1. Соболева Н.А.,  Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. - М.: Высшая школа. - 1974.

2. Ишанин Г.Г.  Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение. - 1986.

3. Спектрофотометр СФ-5. Инструкция по эксплуатации.

4. Вольтамперметр В7-21. Инструкция по эксплуатации.

5

ФОТОДІОДИ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49292. Составление математической модели турбокомпрессора по заданным расходным характеристикам 149.54 KB
  В качестве недостатка таких методов можно привести пример когда для вновь создаваемого или форсируемого двигателя основной технической проблемой становится к примеру выбор параметров турбокомпрессора или топливного насоса высокого давления ТНВД. Применительно к турбокомпрессорам это могут быть расходные характеристики которые широко распространяются их производителями с целью увеличения рынка сбыта. 1 составить математическую модель турбокомпрессора.
49293. Учет заработной платы сотрудников предприятия 354.85 KB
  Задача «Учет заработной платы сотрудников предприятия» решается с целью получения сведений о средней и суммарной заработной плате каждого сотрудника с начала года до указанного месяца, упорядоченные по алфавиту.
49295. Разработка грузового плана нефтеналивного судна т/х «Сейфула Кади» 161.78 KB
  В данной работе разрабатывается грузовой план нефтеналивного судна т х Сейфула Кади выполняется расчет ходовых запасов; размещение груза расчет кренящего момента дифферентовка и соответствующее принятие балласта расчет остойчивости и прочности составления чертежа грузового плана. Основные характеристики и размерения судна: Тип Стальное однопалубное двухвинтовое наливное судно без седловатости с двойным дном двойным бортом с баком с машинным отделением и рубками расположенными в корме с 6 грузовыми танками.9 1438 63257...
49296. Автоматизация поддержания параметров микроклимата в животноводческом помещении 1.02 MB
  Состояние микроклимата закрытых животноводческих помещений определяет комплекс физических факторов температура влажность движение воздуха солнечная радиация атмосферное давление освещение и ионизация газовый состав воздуха кислород углекислый газ аммиак сероводород и др. Описание работы технологической линии ОВС включает калорифер радиальный центробежный вентилятор магистральный воздуховод и воздуховоды равномерной раздачи воздуха выходные отверстия которых оборудованы жалюзийными решетками. Отопительновентиляционная...
49298. Характеристика різних інформаційно-довідкових підсистем, правової підтримки керівництва підприємства Українських розробників 60.96 KB
  2 Проблеми правової підтримки керівництва підприємства Метою державної підтримки підприємництва є: 1 створення умов для позитивних структурних змін в економіці України; 2 сприяння формуванню і розвитку підприємництва становлення підприємництва як провідної сили в подоланні негативних процесів в економіці та забезпечення сталого позитивного розвитку суспільства; 3 підтримка вітчизняних виробників; 4 формування умов для забезпечення зайнятості населення України запобігання безробіттю створення нових робочих місць. Державна підтримка...
49299. Малохвильовий перетворювач WAVELET 581.78 KB
  Дискретне Wvelets перетворення 11 Приклади застосування Wvelets перетворення. Інакше називають Wvelet аналізом. Слово Wvelet в перекладі з англійської мови означає елементарну хвилю.