Тольяттинский государственный университет

Квантовая и оптическая электроника

Методические указания к выполнению лабораторных работ.

Тольятти 2007

УДК 621.384

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры от 31.11.2007.

Квантовая и оптическая электроника: методические указания к выполнению лабораторных работ / Сост. С.В. Поносов,- Тольятти: ТГУ, 2007.

Приведены цели, задачи ,программы работ и даны методические рекомендации по выполнению программ лабораторных работ по исследованию физических основ взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами. Содержатся теоретические сведения об исследуемых эффектах и явлениях, рекомендации и указания по выполнению лабораторных работ и составлению отчетов о выполненных работах.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Промышленная электроника» очной и заочной формы обучения.

 Тольяттинский государственный университет, 2007

Содержание

Лабораторная работа №1. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых светоизлучающих диодов 4

Лабораторная работа №2. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых оптопар 10

Лабораторная работа №3. Исследование импульсных свойств p-n-перехода 25

Лабораторная работа №1. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых светоизлучающих диодов

3.1. Цель работы

Целью работы является изучение основ физических процессов, лежащих в основе работы светоизлучающих приборов, приобретение практических навыков снятия вольтамперных характеристик светодиодов.

3.2. Программа работы

3.2.1. Снять прямые ветви ВАХ полупроводникового выпрямительного диода и трех светодиодов (красного, зеленого и желтого цветов).

3.2.2. Определить напряжение и ток включения светодиодов.

3.2.3. Рассчитать статические и динамические сопротивления для каждого из диодов, простроить соответствующие графики зависимостей.

3.3. Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый излучатель – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения все шире применяются светоизлучающие диоды (светодиоды), работающие при прямом напряжении. Иногда их называют инжекционными светодиодам, а свечение, возникающее в светодиодах, относят к появлению так называемой инжекционной электролюминесценции.

Электролюминесценцией называется испускание света твердым телом под действием приложенного электрического напряжения. В процессе электролюминесценции происходит непосредственное преобразование энергии электрического поля в излучение. Этот вид излучения обусловлен рекомбинацией носителей заряда.

Электролюминесценция бывает в основном двух видов: предпробойная и инжекционная.

Предпробойная электролюминесценция возникает при больших напряженностях электрического поля, близких к пробойным. Однако в отличие от явления электрического пробоя для возникновения электролюминесценции достаточно, чтобы поле большой напряженности могло существовать в небольшом объеме люминесцирующего кристалла, например, возле р-n-перехода или у электрода. Остальной объем кристалла в этом случае не дает возможности развиться пробою, разрушающему электролюминесцирующий материал.

Инжекционная электролюминесценция в отличие от предпробойной требует приложения к образцу небольших разностей потенциалов порядка нескольких вольт. Инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оптического излучения в р-n-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию.

Принцип работы светодиодов заключается в следующем (рис.3.1). При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Например, если концентрация электронов в n-области много больше (эмиттерная область), чем концентрация дырок в p-области (базовая область), т.е. n_n>p_p, то происходит инжекция электронов из n-области в p-область. Инжектированные электроны рекомбинируют с основными носителями базовой области, в данном случае с дырками p-области. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны. При этом выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине запрещенной зоны W, т.е.

h = hc /   W. (3.1)

Подставляя в эту формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны W (в эВ), необходимую для излучения с той или иной длиной волны  (в мкм):

W1,23. (3.2)

Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь W>1,7эВ. Германий и кремний непригодны для светодиодов, так как ширина запрещенной зоны у них слишком маленькая. Для современных светодиодов применяют главным образом фосфид галлия GaP и карбид кремния SiC, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlAs) или галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечения различных цветов.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются диоды инфракрасного (ИК) излучения, изготовляемые преимущественно из арсенида галлия GaAs. Они применяются в фотореле, различных датчиках и входят в состав некоторых оптронов.

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канделах (единица силы света, испускаемая стандартным специальным источником) и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет до единиц Кд.

2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (десятки – сотни кандел на см²).

3. Постоянное прямое напряжение (2-3 В).

4. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.

5. Максимальный допустимый постоянный прямой ток (десятки мА).

6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).

7. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать (например, от –60 до +70⁰С).

Для светодиодов обычно рассматриваются следующие характеристики. Яркостная характеристика дает зависимость яркости от прямого тока, а световая характеристика – зависимость силы света от прямого тока. Спектральная характеристика показывает зависимость излучения от длины волны. Вольтамперная характеристика светодиода такая же, как и у обычного выпрямительного диода. Важной характеристикой является диаграмма направленности излучения, которая определяется конструкцией диода, в частности наличием линзы, и другими факторами. Излучение может быть направленным или рассеянным (диффузным).

Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Так, например, яркость и сила света с повышением температуры уменьшаются. Быстродействие у светодиодов высокое. Свечение возрастает до максимума в течение примерно 10^-8с после подачи на диод импульса прямого тока.

Светодиоды конструируют так, чтобы наружу выходил как можно больший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется за счет поглощения в самом полупроводнике и полного внутреннего отражения на границе кристалл-воздух. Конструктивно светодиоды выполняются в металлических корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение, или в прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение. Изготовляются также бескорпусные диоды. Масса диода составляет доли грамма.

Светодиоды являются основой более сложных приборов: линейной светодиодной шкалы, цифро-буквенного светодиодного индикатора и др.

3.4. Описание лабораторной установки

П ринципиальная электрическая схема лабораторной установки изображена на рис.3.2.

Подключение одного из диодов к источнику напряжения и измерительным приборам осуществляется переключателем S. Плавное изменение прямого напряжения на диоде осуществляется потенциометром RР. Измерение прямого напряжения и прямого тока диодов осуществляется вольтметром РV и амперметром РА соответственно.

3.5. Ход работы

К пункту 3.2.1. Включить стенд тумблером «питание» (на рис.3.2. тумблер не показан). Выбрать переключателем S один из диодов и, плавно изменяя ток потенциометром RР, при помощи амперметра РА и вольтметра РV снять прямую ветвь ВАХ диода.

Аналогично снять ВАХ, напряжения и токи включения остальных диодов. Результаты свести в таблицу. По полученным данным на одном рисунке построить ВАХ диодов.

Таблица.3.1. – ВАХ диодов. Напряжение на диоде, В.

Номер диода	Ток диода, мА
1
2
3
4

К пункту 3.2.2. Для каждого светодиода визуально определить значения напряжения и тока включения. Выделить эти точки на соответствующих графиках.

К пункту 3.2.3. Рассчитать статические и динамические сопротивления диодов. Статическое сопротивление диода может быть рассчитано по формуле:

Rст = U / I, (3.3)

где U – напряжение на диоде, В; I – ток диода, А.

Динамическое сопротивление диода может быть рассчитано по формуле:

Rдин = ΔU/ΔI = (U2-U1) / (I2-I1), (3.4)

где U1 и U2 - соседние в таблице значения напряжений, В;

I1 и I2 – соответствующие напряжениям значения токов, А.

Полученное динамическое сопротивление соответствует току:

Iср = (I2+I1) / 2 (3.5)

По формулам (3.3-3.5) рассчитать зависимости сопротивлений от тока для каждого из диодов. Результаты свести в таблицы 3.2, 3.3.

Таблица.3.2. – Статические сопротивления диодов Rст, кОм.

Номер диода	Ток диода, мА
1
2
3
4

Таблица.3.3. – Динамические сопротивления диодов Rд, кОм.

Номер диода	Ток диода, мА
1
2
3
4

Для каждого из диодов по полученным результатам построить графики зависимостей статического и динамического сопротивлений от тока. Зависимости обоих сопротивлений для одного диода строятся на одном графике.

3.6. Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- наименование, цель и программу работы;

• принципиальную схему лабораторной установки;

- описание хода выполненной работы с включением по его тексту:

- таблицы с экспериментальными данными и графиков экспериментально снятых ВАХ;

- результатов обработки экспериментальных данных, сведенных в таблицы, а также построенные по ним графики;

- анализ полученных результатов, оформленный в виде выводов по работе.

3.7. Вопросы для самоконтроля

1. В чем заключается цель данной работы и какова программа исследований, которую нужно выполнить в ней?

2. Как снимают ВАХ исследуемых приборов?

3. Какие измерительные приборы позволяют измерить напряжение и ток диодов.

4. Как определяется динамическое и статическое сопротивления диода?

5. Что называется полупроводниковым излучателем?

6. Какое явление лежит в основе работы полупроводниковых излучателей?

7. Объясните принцип работы светодиодов?

8. Какие материалы используются в полупроводниковой оптоэлектронике? Почему?

9. Перечислите основные параметры светодиодов?

10. Области применения светоизлучающих диодов.

3.8. Рекомендованная литература

1. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Тугов Н.М. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990.