8.3.3. Исследование яркостной характеристики ил

Переключатель S1 и каретку спектрофотометра поставить в положение "4". При этом излучение ИЛ, расположенного перед кареткой, попадает во входную щель спектрофотометра. Резистором R1 установить максимальный ток, протекающий через ИЛ. Вращая ручку длин волн спектрофотометра в сторону инфракрасного диапазона (более 700 нм), добиться максимальных показаний микроамперметра PJ_ф. При этом необходимо отрегулировать ширину щели спектрофотометра таким образом, чтобы PJ_ф не зашкаливал. Изменяя ток через ИЛ от нуля до максимального значения через 1 мА, фиксировать показания микроамперметра PJ_ф, пропорциональные интенсивности излучения J_ф. Результаты измерений занести в табл. 8.2.

8.3.4. Исследование спектральных характеристики ил

Исследовать спектральные характеристики ИЛ при двух значениях возбуждающего тока I: максимальном и 3 мА. Измерения проводить, как описано в 8.2.1, установив переключатель S1 и каретку спектрофотометра в положение "4". Результаты занести в табл. 8.3.

Таблица 8.3

, нм	Jф, у. е.
	при I = 3 мА	при I = Imах

8.4. Обработка результатов

1. Построить вольт-амперные характеристики СИД и зависимости интенсивности излучения СИД и ИЛ от возбуждающего тока. По зависимости интенсивности излучения ИЛ от возбуждающего тока определить значение порогового тока как тока, соответствующего излому зависимости интенсивности излучения от возбуждающего тока.

2. По данным табл. 8.1 вычислить силу света, излучаемого СИД, в относительных единицах, . Построить спектральные характеристики для всех исследованных СИД на одном рисунке.

3. По данным табл. 8.3 построить на одном рисунке спектральные характеристики ИЛ для режимов работы I > I_пор и I < I_пор.

4. Определить полуширину спектральной характеристики каждого исследованного полупроводникового излучателя.

5. Найти разность энергий между энергетическими уровнями, опреде-ляющими излучательную рекомбинацию, в каждом из исследованных СИД и ИЛ. Для этого вычислить энергию кванта света в электрон-вольтах, соответствующую максимуму спектральной характеристики каждого полупроводникового излучателя:

,

где  – длина волны, соответствующая максимуму спектральной характеристики, мкм.

8.4. Контрольные вопросы

1. Что такое светоизлучающий диод?

2. Каким образом в СИД происходит преобразование электрической энергии непосредственно в световую энергию?

3. Почему прямые падения напряжения на светоизлучающих диодах значительно больше аналогичных значений выпрямительных диодов?

4. Каковы различия в принципе действия СИД и ИЛ?

5. Чем отличается излучение ИЛ от излучения СИД?

Лабораторная работа 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

9.1. Основные понятия и определения

Полупроводниковый приемник излучения – это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, чувствительный к электромагнитному излучению видимой, инфракрасной и/или ультрафиолетовой областей спектра или преобразующий энергию электромагнитного излучения непосредственно в электрическую энергию. Среди приемников излучения важное место занимают фотодиоды.

Фотодиод (ФД) – это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом (обычно p‑n‑переходом), работа которого основана на фотовольтаическом эффекте. Он заключается в пространственном разделении электрическим полем p‑n‑перехода генерированных светом носителей заряда. Первичным здесь является процесс собственного поглощения, который наблюдается, когда энергия фотонов, превышает некоторое пороговое значение, определяемое шириной запрещенной зоны полупроводника:

, (9.1)

где h = 4,14  10^–15 эВс – постоянная Планка; c = 3  10⁸ м/с – скорость света; Э – ширина запрещенной зоны, эВ.

При освещении ФД в p‑n‑переходе и прилегающих к нему областях генерируются электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля, существующего в p‑n‑переходе, происходит разделение носителей заряда, что приводит к накоплению электронов в n-области, а дырок – в p‑области. Если внешняя цепь ФД разомкнута, то между этими областями возникает разность потенциалов – фотоЭДС холостого хода U_х. х. При коротком замыкании контактов ФД в цепи протекает ток короткого замыкания I_к. з, называемый фототоком. Фототок совпадает по направлению с обратным током диода и возрастает при увеличении потока света, падающего на ФД. Когда в цепь ФД включена нагрузка, на ней выделяется электрическая мощность.

Спектральная характеристика ФД – это зависимость фототока (фоточувствительности) от длины волны падающего света. Спектральная зависимость при больших длинах волн определяется спектром собственного поглощения полупроводника. С уменьшением длины волны излучения увеличивается число генерируемых светом электронно-дырочных пар, что приводит к росту фототока. В то же время при малых длинах волн существенно возрастает показатель поглощения. Его рост сопровождается уменьшением глубины проникновения света в полупроводник. При этом неравновесные носители заряда, возникающие в тонком приповерхностном слое, быстро рекомбинируют через уровни поверхностных ловушек и дефектов. В результате уменьшается число носителей заряда, достигающих p‑n‑перехода. Таким образом, после некоторого максимума при дальнейшем уменьшении длины волны падающего излучения наблюдается спад фоточувствительности.

Световые характеристики ФД – это зависимости фототока короткого замыкания и фотоЭДС холостого хода от освещенности. При накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок в p-области уменьшается потенциальный барьер p‑n‑перехода. Это обстоятельство ухудшает "разделительные свойства" перехода. Поэтому световые характеристики ФД сублинейны.

В настоящей работе исследуются спектральные и световые характеристики ФД, изготовленных из различных полупроводниковых материалов.