Учебное пособие 1202

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

-2017

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы № 1 по дисциплине «Измерительные преобразователи и электроды»

для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», направленности «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»)

очной формы обучения

Воронеж 2017

Составитель канд. техн. наук В.Н. Коровин

УДК 681.3(075.8) ББК 32.37Я7

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 по дисциплине «Измерительные преобразователи и электроды» для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», направленности «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.Н. Коровин. Воронеж, 2017. 24 с.

Данные методические указания содержат теоретические сведения, помогающие в проведении лабораторной работы по дисциплине «Измерительные преобразователи и электроды».

Предназначены для студентов 4 курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле ЛР№1_ИПиЭ_Фотодиоды.

Табл. 5. Ил. 21. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент д-р мед. наук, проф. Е.А. Назаренко

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. О.В. Родионов

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Изучение характеристик фотодиодов (солнечных батарей)

Цели:

1.Исследование зависимости тока и напряжения солнечных батарей при последовательном и параллельном соединениях.

2.Изучение зависимости мощности солнечной батареи от площади ее поверхности.

3.Изучение зависимости мощности солнечной батареи от интенсивности светового излучения.

4.Исследование параметров при прямом и обратном включении солнечной батареи.

5.Изучение зависимости мощности солнечной батареи от длины волны воздействующего света.

Теоретическая часть

1.Фотодиоды

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n- переходе. Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n- переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода.

Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n- перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n- переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фото ЭДС. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Рис. 1. Структура фотодиода и его включение в цепь

2.Режимы работы фотодиодов

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии либо с внешним источником электрической энергии.

В фотодиодном режиме применяется внешний источник питания, который смещает полупроводниковый прибор в обратном направлении. В этом случае через фотоэлемент протекает обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку.

2

В фотодиодном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении (рис. 2).

Рис. 2. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме

При отсутствии светового потока и под действием обратно приложенного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток Iо, который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока. При освещении фотодиода кванты света дополнительно вырывают электроны из валентных связей полупроводника, увеличивая тем самым поток неосновных носителей заряда через p–n переход. Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи запорного слоя, и тем больший фототок , определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод.

При правильно подобранном сопротивлении нагрузки Rн и напряжении источника питания этот ток будет зависеть только от освещенности прибора, а падение напряжения на сопротивлении можно рассматривать как полезный сигнал.

Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p–n перехода уменьшается). Недостатком фотодиодного режима работы является большой темновой ток, зависящий от температуры.

3

В фотогальваническом режиме фотодиод работает в роли датчика или в роли слаботочного элемента питания, так как под воздействием светового потока на выводах фотоэлемента генерируется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.

Схема включения представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема включения фотодиода для работы в вентильном режиме

При отсутствии светового потока на границе p–n перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока – Iдр и Iдиф, которые уравновешивают друг друга. При освещении p–n перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p–n перехода неосновные носители заряда n–области – дырки переходят в р–область, а неосновные носители заряда р–области – электроны – в n–область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р– области, а электронов в n–области, это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС Потенциальный барьер перехода, как и при прямом напряжении, уменьшается на величину фото-ЭДС, называемую напряжением холостого хода Uхх при разомкнутой внешней цепи. Снижение потенциального барьера увеличивает ток диффузии ∆Iдиф основных

4

носителей через переход. Он направлен навстречу фототоку. Поскольку ключ разомкнут, в структуре устанавливается термодинамическое равновесие токов:

Значение фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p–n перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля в переходе разделение оптически генерируемых носителей прекращается.

При подключении нагрузки к освещенному фотодиоду (ключ замкнут), в электрической цепи появится ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей. Значение тока зависит от фото-ЭДС и сопротивления нагрузки, максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода будет при сопротивлении резистора, равном нулю, т.е. при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода уменьшается.

Ток, протекающий через фотодиод, можно записать в следующем виде:

где Iф – фототок;

I0 – тепловой ток p–n перехода; U – напряжение на диоде.

При разомкнутой внешней цепи можно выразить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фо- то-ЭДС:

3.Характеристики и параметры фотодиодов

Фотодиод описывается вольтамперной, энергетической, спектральной и частотной характеристиками.

Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно из-

5

менять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода. При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви при сравнительно небольших напряжениях практически совпадают.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика фотодиода

График состоит из 4 областей, так называемых квад-

рантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте.

При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.

6

При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.

Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения.

Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте.

И здесь можно выделить два предельных случая:

-холостой ход (хх),

-короткое замыкание (кз).

Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.

В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.

Рис. 5. Энергетическая характеристика фотодиода

Энергетическая характеристика фотодиода связыва-

ет фототок со световым потоком, падающим на фотодиод, рисунок 5. При работе фотодиода в фотогальваническом режиме спектральные характеристики существенно зависят от сопро-

7

тивления резистора, включенного во внешнюю цепь. С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все более искривляются и при больших сопротивлениях имеют ярко выраженный участок насыщения. При работе фотодиода в фотодиодном режиме энергетические характеристики линейны, т.е. практически все фотоносители доходят до p–n перехода и участвуют в образовании фототока.

Спектральная характеристика фотодиода аналогична соответствующим характеристикам фоторезистора и зависит от материала фотодиода и количества примесей (рис. 6,а).

Рис. 6. Спектральная (а) и частотная (б) характеристики

Частотная характеристика показывает изменение ин-

тегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой модуляции (рис. 6 ,б). Быстродействие фотодиода характеризуется граничной частотой, на ко-

торой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением.

Параметры фотодиодов следующие:

1. Темновой ток IТ – начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10…20 мкА для германиевых и 1…2 мкА для кремниевых диодов).

8