Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з лабораторним стендом, електрична схема якого зображена на рис. 2.2 та до складу якого входять: досліджувані світлодіоди різних типів (3 шт.); лампа розжарення; вузол комутації; вимірювальні прилади (мультиметри типу); змінний резистор; імпульсне джерело живлення.

Рис.2.2. Електрич-на схема лабораторного стенда.

2. Зняти ВАХ СД різного кольору світіння та лампи розжарення, змінюючи величину прямого струму.

3. Результати вимірювань занести в таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 – Результати вимірювань

Колір світіння СД1
Іпр, мА
U, B
Колір світіння СД2
Іпр, мА
U, B
Колір світіння СД3
Іпр, мА
U, B
Лампа розжарення
Іпр, мА
U, B

4. На основі експериментальних даних побудувати залежності величини прямого струму від напруги для СД різних типів та лампи розжарення. Порівняти їх.

Контрольні питання

1. Дати означення і пояснити фізичні основи роботи світловипроміюючих діодів.

2. Дати означення люмінесцентних матеріалів та назвати вимоги до них.

3. Пояснити поняття інжекції та рекомбінації носіїв електричного струму, тунельного струму.

4. Назвати основні параметри і характеристики СД.

5. Які оптоелектронні пристрої створені на основі СД?

6. Перерахувати галузі застосування та назвати перспективи розвитку світлодіодної техніки.

7. У чому принципова відмінність люмінесценції від теплового випромінювання?

8. Поясніть причини відмінності ВАХ СД і ЛР.

Лабораторна робота № 3

Дослідження робочих параметрів і характеристик оптронів

Мета роботи: Вивчення фізичних процесів та конструктивно-технологічних особливостей оптопар; ознайо-митися з роботою елементарного оптрона з відкритим оптичним каналом, одержати навички роботи з оптоелектронними приладами; зняти передатну характеристику оптрона різних варіантів виконання, визначити його основні параметри.

Елементи теорії. Оптроном називається напівпровід-никовий прилад, в якому конструктивно обєднані джерело та приймач випромінювання, повязані між собою оптичним звязком. У джерелі випромінювання електричні сигнали перетворюються в світлові, які діють на фотоприймач та створюють у ньому знову ж електричні сигнали. Якщо оптрон має тільки один випромінювач та один приймач випромінювання, то його називають оптопарою або елементарним оптроном. Мікросхема, яка складається із однієї або декількох оптопар з додатковими пристроями для узгодження та підсилення сигналу, називається оптоелектронною інтегральною мікросхемою. На вході та виході оптрону завжди є електричні сигнали, а звязок входу і виходу відбувається завдяки світловому сигналу.

Найпоширенішими є оптрони із внутрішнім оптичним зв'язком (рис.3.1). Основні схемотехнічні можливості оптронів визначаються переважно характеристиками фотоприймача. Його особливості визначають такі різновиди оптронів (рис.3.1): транзисторні; діодні; резисторні; тиристорні; зі складеним транзистором.

Транзисторні оптрони (рис.3.1,а) характеризуються схемотехнічною гнучкістю, мають високе значення коефіцієнта передачі по струму, але відносно невисоку швидкодію (τ_вкл= 2...5 мкс).

Діодні оптрони (рис.3.1,б), виготовлені в основному з використанням p-i-n фотоприймачів, відрізняються найбільшою швидкодією (аж до 10^-8 с). Однак тут коефіцієнт передачі по струму становить одиниці відсотків. Важливою особливістю діодних оптронів є здатность працювати у фотовентильному режимі без зовнішньої напруги на фотоприймачі. При цьому оптрон виконує функції керованого ізольованого джерела живлення.

Рисунок 3.1 – Різновиди оптронів: а – транзисторні; б – діодні; в – резисторні, г – тиристорні; д – зі складеним транзистором

Резисторні оптрони (рис.3.1,в) характеризуються лінійністю та симетричністю вихідної вольт-амперної характеристики, відсутністю внутрішніх ЕРС, високою кратністю відносин R_T/R_Ф, (від 10⁴ до 10⁷ ). Тому незважаючи на значну інерційність ( 10^-1 ...10^-2 с), резисторні оптрони мають важливе самостійне значення. Тиристорні оптрони (рис.3.1, г) придатні для комутації потужнострумових ланцюгів (U_ком= 50...600 В, J_ком = 0,1...10 А) радіоелектронного та електротехнічного (U_ком= 100...1300 В, J_ком - 0...320 А) призначень. При більших потужностях навантаження тиристорні оптрони по входу сумісні з ІМС.

Оптрони зі складеними транзисторами (рис.3.1, д) відрізняються більшими коефіцієнтами передачі струму.

За функціональною ознакою розрізняють такі види оптронів: інформаційні, керуючі, лінійні, енергетичні.

Ця термінологія поширюється й на оптронні інтегральні мікросхеми.

Інформаційні оптрони – прилади, призначені для високошвидкісної передачі цифрової інформації з гальванічно розв'язаного ланцюга. Ця група знаходить масове застосування й містить у собі діодні та транзисторні оптрони й перемикальні ОЕІМС.

Керуючі оптрони призначені для безконтактного керування потужнострумовими високовольтними ланцюгами. Типовими представниками цієї групи є тиристорні й транзисторні оптрони, оптореле й почасти резисторні оптрони.

Лінійні оптрони застосовуються для неспотвореної передачі аналогових сигналів по гальванічно розв'язаному колу. Це діодні й резисторні оптрони, у деяких випадках транзисторні.

Енергетичні оптрони являють собою діоді оптрони, які є ізольованими вторинними джерелами живлення.

У типовій сучасній конструкції оптронів необхідно не тільки використовувати високоефективні складені елементи, але й забезпечити їхнє узгодження за спектральними характеристиками, швидкодією, габаритними розмірами, температурними властивостями.

Оптимальними, виходячи із властивостей джерел світла й фотоприймачів, є такі комбінації:

– Si p-i-n ­фотодіод з випромінювачами GaAs(Zn), GaAlAs і GaAs , які добре погоджуються за спектром і швидкодією,

– Si ­ фотодіод Шотткі за спектром, задовільно погоджується за спектром з Ga(N), GaAlAs ­ випромінювачами, однак його швидкодія значно нижче, ніж у фотоприймача;

– GaAlAs - гетерофотодіод, відмінно погоджується за всіма показниками (у тому числі й технологічним) з GaAlAs- гетеросвітлодіодом;

– Si- фототранзистори й фототиристори, через відносно невисоку швидкодію найкраще використовувати з GaAs(Si)-випромінювачем;

– CdS, CdSe - фоторезистори за спектром добре погоджуються з Ga- і GaAs-випромінювачами та лампочками розжарювання.

Оптрони з відкритим каналом характеризуються більш широкими функціональними можливостями. У цих приладах випромінювання при проходженні від випромінювача до приймача може бути промодульовано додатково шляхом впливу на оптичні характеристики середовища.

Найбільш простий випадок – зміна ступеня поглинання випромінювання середовищем (амплітудна модуляція). При проходженні випромінювання через речовину відбувається зменшення інтенсивності випромінювання за законом Бугера-Ламберта: I=I₀*( 1-R)*exp(-k_х), де I₀ – інтенсивність падаючого променя, х – товщина поглинаючого середовища, k_ – показник поглинання, величина якого залежить від  і речовини середовища, R – коефіцієнт відбиття.