LS-Sb86481

держки ток разряда I удерживать неизменным, регулируя его время от времени с помощью ЛАТРа. По снятой зависимости P = f (Iпод) определить оптимальный ток Iopt подогревателя испарителя, соответствующий максимуму мощности излучения Pmax .

10. Установить ток подогревателя Iпод = Iopt и исследовать зависимости

P = f (I) и U = f (I) в диапазонах изменения тока разряда Iуст …90 мА и Iуст ...

40 мА в двух режимах. В первом режиме временные выдержки при каждом значении тока I должны составлять 5…7 с, во втором – 1,5 мин.

Внимание! При случайном обрыве тока разряда немедленно выключить тумблер “Испаритель”!

1.4.Порядок выключения лабораторной установки

1.Установку можно выключать только после подписания протокола

исследований с разрешения преподавателя и в его присутствии.

2.Регулятор тока подогревателя испарителя установить в крайнее левое положение и выключить тумблер “Испаритель”.

3.Не менее чем через 10 мин снять напряжение питания разрядной трубки. Для этого ручку регулятора ЛАТРа вращением против часовой стрелки установить в крайнее левое положение и выключить тумблер “Высокое”.

1.5.Содержание отчета

1.Цель и содержание работы.

2.Эскиз He–Cd-лазера и схема лабораторной установки.

3. Таблицы и графики экспериментальных зависимостей P = f (t),

P= f (Iпод), U = f (Iпод), P = f (I) и U = f (I).

4.Расчет КПД He–Cd-лазера η = P/Pнак = f(I) в предположении, что

мощность накачки Pнак = U I.

5.Расчет градиента потенциала Ez в положительном столбе разряда He–Cd-лазера для оптимальных разрядных условий, исходя из того что на активную зону положительного столба протяженностью 0,6 м приходится 80 % полного падения напряжения U на лазерной трубке.

6.Выводы по работе.

7.Протокол испытаний.

1.6.Контрольные вопросы

1.Каков механизм возбуждения активной среды He–Cd-лазера?

2.Какие функции выполняет гелий?

3.В чем причина низкого КПД He–Cd-лазера?

4.В чем причина тепловой инерционности лазера и как она проявляется при различных токах подогревателя?

5.В чем причина тепловой зависимости мощности излучения He–Cd-

лазера?

6.В чем причина спада мощности излучения при повышенных токах

разряда?

7.Если включен левый (правый) испаритель, то какую полярность должны иметь электроды?

8.Почему конструкция He–Cd-лазера является симметричной?

9.Какую функцию выполняют дополнительные расширения разрядного промежутка He–Cd-лазера?

10.Какие условия должны быть выполнены для протекания реакции Пеннинга?

11.Как изменяется электронная температура и падение напряжения на разрядной трубке при повышении давления паров Cd?

2.ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОДИОДОВ

Цель работы: исследование спектральных, световых, вольт-амперных, пространственных и температурных характеристик полупроводниковых светодиодов(СД).

2.1. Основныеположения.

Полупроводниковые светодиоды – источники некогерентного оптического излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Полупроводниковые светодиоды выгодно отличаются от прочих источников оптического излучения широким набором рабочих длин волн λ, относительно высоким КПД, малой инерционностью, низким энергопотреблением, малыми габаритами, простой конструкцией, высокой надежностью и стабильностью характеристик. СД занимают прочные позиции в устройствах индикации, различных оптико-электронных устройствах, в том числе метрологических и высоковольтных, системах автоматического контроля, оптической связи и пе-

редачи информации на частотах до 107…108 Гц, накачки, видимой и инфракрасной подсветки и других областях техники. Разрабатываются СД ультрафиолетового диапазона. Большие перспективы имеют коротковолновые СД с люминофорными покрытиями излучающей поверхности кристалла в качестве экономичных источников локального освещения.

Оптическое излучение в полупроводниковых светодиодах возникает в результате рекомбинационной электролюминесценции в области р–n-перехода. При приложении к р–n-переходу напряжения U в прямом направлении потенциальный барьер снижается на величину порядка eU, и через переход начинает протекать ток I. Происходит инжекция неосновных носителей заряда через р–n- переход: электронов из n-области в р-область, а дырок – из р- в n-область. Излучательная рекомбинация носителей преобладает, как правило, в одной из областей, чаще в высокоомной (базовой) р-области. Оптимальные условия для односторонней рекомбинации реализуются в гетеропереходах. Избыточная энергия рекомбинирующих частиц выделяется в виде квантов оптического излучения – фотонов. Область инжекционной рекомбинации определяется диффузионной длиной пробега неосновных носителей (порядка 10–6 м) и является эффективным источником квантов оптического излучения. Энергия генерируемых квантов определяется в первом приближении шириной запрещенной зоны hν = E, а длина волны, соответствующая максимуму линии излучения светодиода, λmax = hc / E. Значению λmax = 1 мкм соответствует E = 1,24 эВ[2].

Разброс энергии hΔν квантов, генерируемых СД, определяется функциями распределения по энергиям носителей заряда: электронов в области дна зоны проводимости и дырок в области валентной зоны. Характер распределений при прочих равных условиях зависит от температуры светодиода (кристалла) TСД, а определяемый ими разброс энергии квантов имеет порядок 2k TСД. Тогда с учетом Δν = Δλ c / λ2 для ширины линии излучения светодиода на половинном уровне получим Δλ0,5 = 2k TСД λmax2 / hc. Рост температуры кристалла сопровождается не только размытием линии излучения Δλ0,5, но и изменением периода кристаллической решетки. Как правило, при этом уменьшается E и соответствующая ей энергия квантов hν. Одновременно положение максимума спектральной линии излучения (λmax) смещается в сторону больших длин волн. Повышение температуры, кроме того, увеличивает вероятность безызлучательной рекомбинации. В итоге уменьшается число излучаемых квантов и их энергия, что приводит кснижениюмощности излучениясветодиода.

Вероятность инжекционной рекомбинации, в том числе излучательной, пропорциональна концентрации электронов ne = I/e. Поэтому рост тока I свето-

диода сопровождается увеличением мощности излучения P = η0 hνI/e, где η0 – КПД светодиода. Ватт-амперная характеристика СД P = f (I) в области рабочих токов оказывается близка к линейной. Дальнейшее повышение тока усиливает нагрев кристаллаи вызывает температурноенасышениезависимости P = f (I).

В области р–n-перехода светодиода происходит весьма эффективное прямое преобразование электрической энергии в оптическое излучение. Эффективность этого преобразования, называемая внутренним квантовым выходом ηкв, зависит от соотношения вероятностей излучательной Аи и безызлучательной Аби рекомбинаций, определяемых количеством соответствующих переходов в единицу времени: ηкв = Аи /(Аи + Аби ). Безызлучательные переходы формируют тепловые кванты – фононы, поглощаемые решеткой и повышающие TСД. При излучательных переходах должны выполняться как закон сохранения энергии, так и импульса. Поэтому в прямозонных полупроводниках (GaAs, GaN), где энергетический минимум дна зоны проводимости совпадает по шкале импульсов с максимумом потолка валентной зоны, вероятность излучательной рекомбинации выше, чем в непрямозонных материалах (GaP, InP). Величина ηкв зависит от типа и качества исходного полупроводника (чаще всего АIIIВV), состава и уровня легирования, структуры р–n-перехода. В инфракрасной области наилучшие результаты получены при использовании в качестве базовых материалов GaAs и InP. Для изготовления светодиодов видимого диапазона используют фосфид, нитрид, арсенид галлия, трех- и четырехкомпонентные твердые

растворынаихоснове: GaAs1–xPx, GaxIn1–xP, GaxIn1–xAs1–yPy и т. п. Варьируя доли x, y легирующих материалов, можно изменять λ СД.

Внутренний квантовый КПД ηкв самого полупроводникового материала может быть очень высоким, достигая 50 % и более. Но вывести из светодиода удается лишь незначительную часть рекомбинационного излучения, характеризуемую оптическим КПД, – ηопт. Потери квантов обусловлены поглощением в слое полупроводника, френелевским отражением на границе кристалла c воздухом ρф = (n – 1)2/(n + 1)2, явлением полного внутреннего отражения при углах падения Θ > Θвн = arcsin (1/n), где n – показатель преломления материала СД. Например, для распространенного GaAs (n = 3,4) ρф превышает 25 %, а угол полного внутреннего отражения составляет всего 17º. В итоге оптический КПД ηопт не превышает 10 %, а полный КПД η0 с учетом дополнительных потерь на электрических контактах и омических потерь в толще полупроводника оказывается на уровне единиц процентов. Потери квантов, связанные с поглощением, на практике минимизируются максимальным приближением области р–n-перехода к

внешней излучающей поверхности светодиода. Френелевские потери можно уменьшить нанесением на излучающую поверхность СД просветляющего слоя с показателем преломления, близким к n1/2. Увеличить допустимые углы падения, а следовательно, и выход излучения удается при помещении излучающего кристалла в куполообразный полимерный корпус. Матовые и цветные полимерные корпуса используются в индикаторных СД и обладают большой шириной Θ0,5 диаграммы направленности. Прозрачные корпуса в форме усеченной сферы или эллипсоида обладают фокусирующими свойствами. Они заметно сужают диаграмму направленности СД, вид которой зависит от взаимного расположения излучающейповерхностикристаллаивершиныкуполообразногокорпуса.

2.2. Описание установки

Основой лабораторной установки являются блок светодиодов с регулируемым блоком питания, дифракционный монохроматор, фотоприемные устройства и система регистрации измерительной информации (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структурная схема лабораторной установки Плата с набором светодиодов закреплена на штативе, установленном

на рейтере монохроматора. Двухкоординатная система перемещения платы позволяет поочередно устанавливать перед входом монохроматора исследуемые светодиоды. Спектральный диапазон измерений монохроматора МУМ- 2 составляет Δλ = 320…1300 нм. Рекомендуемая ширина входной и выходной щелей МУМ-2 равна 0,25 мм, что обеспечивает разрешение монохроматора δλ = 1 нм. Излучение светодиода Iλ с длиной волны λ, прошедшее монохроматор, поступает на вход фотоприемного устройства (ФПУ). Фотоприемное устройство выполнено на базе широкополосного кремниевого фотодиода. Спектры излучения светодиодов Iλ = f (λ) могут регистрироваться и обрабатываться в автоматическом или ручном режиме. В автоматическом режиме по запросу ЭВМ для каждого светодиода задаются спектральный диапазон

исследования и номер ячейки памяти для хранения спектра. Коэффициент усиления ФПУ автоматически регулируется ЭВМ в пределах трех порядков, обеспечивая необходимую точность регистрации спектров. Подробное изложение методик автоматизированной регистрации и обработки экспериментальных (редуцированных) оптических спектров излучения содержится в описании лабораторной работы № 4 “Исследование оптических спектров излучения, пропускания, отражения и поглощения” [2].

Основой системы ручной регистрации спектров излучения светодиодов является самопишущий прибор, подключенный к выходу ФПУ через усилитель со ступенчатой регулировкой коэффициента усиления. Необходимые для исследования различных светодиодов положения переключателя S1, рекомендуемые значения коэффициентов усиления kус, спектральных диапазонов исследования Δλ, примерные положения максимумов спектральных линий излучения λmax, а также пространственное расположение светодиодов на плате приведены в табл. 2.1 и 2.2. Максимальный сигнал на выходе усилителя, контролируемый цифровым вольтметром ЦВ1, не должен превышать 4 В при установке монохроматора в положение λ= λmax.

При регистрации спектров с помощью самопишущего прибора направление перемещения счетчика длин волн должно задаваться от конечной λк к начальной λн длинам волн исследуемого диапазона. Приводы монохроматора и самопишущего прибора должны включаться синхронно с помощью тумблеров. На диаграммной ленте необходимо делать цифровые отметки, соответствующие начальной и конечной границам диапазона исследования.

Диаграммы направленности излучения светодиодов регистрируются с помощью подвижного кремниевого фотодиода (ФД), подключенного к цифровому прибору ЦВ2. Механическая подвижка фотодиода снабжена угловой шкалой θ = 0…180°. При θ = 90° оси фотодиода и исследуемого светодиода совпадают. Это положение ФД используется при исследовании зависимости мощности излучения светодиода от протекающего через него тока.

Плата светодиодов через гибкий шлейф подключена к измерительному блоку и блокам питания (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Принципиальная электрическая схема включения светодиодов Выбор исследуемого светодиода осуществляется установкой переклю-

чателя S1 в положение, соответствующее табл. 2.1. Ток светодиода I, контролируемый миллиамперметром, регулируется потенциометрами R2 (грубо) и R3 (точно). Резистор R1 предохраняет СД от короткого замыкания. Вольтметр ЦВ3 измеряет падение напряжения UСД на включенном светодиоде.

Установка позволяет исследовать влияние температуры на параметры СД. Для этого один из светодиодов (СД № 8) помещен в резистивный нагреватель. Ток Iн нагревателя регулируется выходным устройством его блока питания. Температура исследуемого светодиода определяется по градуировочной кривой TСД = f (Iн), прикладываемой к лабораторной установке.

2.3.Порядок выполнения работы

1.Выставить на стабилизированном блоке питания светодиодов выходное напряжение 9 В и ток 30 мА. Включить блок питания.

2.Для условий, приведенных в табл. 2.1, при фиксированном значении тока I = 20 мА зарегистрировать с помощью самопишущего прибора спектры излучения светодиодов Iλ = f (λ): синего СД № 1, белого СД № 2, зеленого СД

№ 31, красного СД № 32, желтого СД № 4 и инфракрасного СД № 5.

В ходе эксперимента для каждого светодиода измерить падение напряжения UСД, определить длину волны λmax, соответствующую максимуму функции Iλ = f (λ), и ширину спектральной линии Δλ0,5 на половинном уровне интенсивности излучения Iλ = 0,5 Iλ max.

3. По указанию преподавателя для одного из светодиодов (СД № 32, СД № 5 или СД № 8) зарегистрировать спектры излучения Iλ = f (λ) для токов I = 3; 10; 30 и 60 мА и определить соответствующие им λmax и Δλ0,5.

4.Включить синий светодиод СД № 1 и установить на минимальном удалении и соосно с ним (θ = 90°) фотодиод ФД. Снять вольт-амперную ха-

рактеристику UСД = f (I) и зависимость мощности излучения P0 светодиода в осевом направлении от тока – ватт-амперную характеристику P0 = f (I). Повторить измерения для зеленого СД № 31, красного СД № 32 и инфракрасного СД № 5 светодиодов. Диапазон изменения тока 1…60 мА, шаг ~ 10 мА, выдержка при каждом значении тока – 1 мин.

5.Передвинуть фотодиод в положение максимального удаления и, изменяя его угловое положение, исследовать диаграммы направленности излу-

чения Iθ = f (θ) светодиодов с прозрачным СД № 1, 32 матовым СД № 6 и цветным СД № 7 полимерными куполами для тока I = 30 мА.

6.Исследовать зависимости Iλ = f (λ), UСД = f (I), P0 = f (I) светодиода СД № 8 для четырех значений установившейся температуры TСД в диапазоне

293…353 К (20…80 оС).

2.4.Содержание отчета

1.Цель, содержание работы и схема экспериментальной установки.

2.Истинные спектры Iλ = f (λ) излучения светодиодов № 1, 2, 31, 32, 4 и 5 для I = 20 мА, совмещенные по длинам волн на общем графике.

3.Зависимости UСД = f (λmax), E = f (λmax) и ηэл = f (λmax), где λmax – экспериментальное значение λ, соответствующее максимуму спектра излучения

светодиода; E = hc/ λmax – ширина запрещенной зоны; ηэл = E/ UСД – электрический КПД светодиодов № 1, 2, 31, 32, 4 и 5 для I = 20 мА.

4.Зависимости UСД = f (I), P0 = f (I) для СД № 1, 32, 6, 7.

5.Зависимости Iλ = f (λ) при четырех токах, λmax = f (I) и Δλ0,5 = f (I) для одного из исследованных светодиодов.

6. Зависимости Iθ = f (θ) СД № 1, 32, 6 и 7 для тока I = 30 мА. Для всех случаев определить ширину диаграммы направленности θ0,5 на половинном уровне угловой плотности мощности излучения Iθ = 0,5 Imax.

7. Зависимости Iλ = f (λ), UСД = f (I), I0 = f (I) светодиода СД № 8 для четырех значений установившейся температуры TСД.

8. Зависимость UСД = f (TСД); экспериментальные и расчетные зависимости λmax = f (TСД), Δλ0,5 = f (TСД) светодиода СД № 8.

9.Выводы по работе. Протокол испытаний.

2.5.Контрольные вопросы

1.Каков механизм оптического излучения светодиодов?

2.Чем определяется длина волны излучения светодиодов?

3.Чем определяется падение напряжения на светодиоде?

4.Какие материалы используются для изготовления светодиодов?

5.Как выглядит ватт-амперная характеристика светодиода?

6.Как влияет температура на оптические характеристики светодиода?

7.Какие функции выполняют полимерные корпуса светодиодов?

8.Чем определяются КПД и диаграмма направленности светодиода?

9.Каковы пути уменьшения потерь излучения в светодиоде?