Лабораторная работа № 8 Исследование Светодиодов и фотодиодов

Цель работы – ознакомление с основными параметрами светодиодов и фотодиодов, их измерение.

Основные сведения о светодиодах и фотодиодах

Светодиод – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры. Процесс самопроизвольной рекомбинации инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p–n-переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на низкий. При этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света. Для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC); твердые растворы: галлий–мышьяк–фосфор (GaAsP) и галлий–мышьяк–алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (ΔW > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.

На рис. 8.1 представлены несколько ВАХ для различных светодиодов. С некоторого порогового значения напряжения начинается резкий рост тока, это позволяет определить материал полупроводника.

Фотодиод – приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счет процессов в p–n-переходе.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p–n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей – дрейфовым током.

Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p–n-перехода и емкостью p–n-перехода C. На рис. 8.2 представлена ВАХ фотодиода при различных световых потоках Ф; обратный ток фотодиода пропорционален световому потоку. Фотодиод может работать в двух режимах: фотогенератора – без внешнего напряжения; фотопреобразователя – с внешним обратным напряжением.

Одной из основных характеристик фотодиода является спектральная чувствительность, определяемая зависимостью фототока от длины волны падающего света. Со стороны больших длин волн она определяется шириной запрещенной зоны, с малых – поглощением и увеличением влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения. Фототок прямо пропорционален освещенности, т. е. практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

Порядок выполнения исследований

1. Включить стенд, определить сопротивление резистора R₂ и балластного резистора R_б, результаты измерений занести в протокол.

2. В работе исследуются четыре светодиода – красного, желтого, зеленого и синего цветов, причем собственно светодиод (LED) и защитный резистор RD1 размещены в каждом случае на одной плате. Собрать с красным светодиодом схему, изображенную на рис. 8.3 (положительный вывод светодиода (красный) подключается к источнику питания).

RD1

Rб

F

LED

V

V

Рис. 8.3. Схема исследования яркости светодиодов

3. Поместить светодиод в кожух с фотодиодом. Изменяя входное напряжение U_вх (контролируется с помощью табло источника постоянного напряжения) от 0 до 20 В, измерить зависимости падения напряжения на балластном резисторе R_б от падения напряжения на резисторе R₂, результаты измерений занести в табл. 8.1. Повторить измерения для трех оставшихся светодиодов.

Таблица 8.1

Исследование яркости светодиодов

Uвх, В	0	2	…	20
UR2, В для красного светодиода
Uб, В для красного светодиода
UR2, В для желтого светодиода
Uб, В для желтого светодиода
UR2, В для зеленого светодиода
Uб, В для зеленого светодиода
UR2, В для синего светодиода
Uб, В для синего светодиода

5. Для проведения измерения зависимости генерируемого фотодиодом напряжения от его освещенности открыть на экране электронного устройства (мобильного телефона или планшета) рис. 3.5.

6. Подключить фотодиод к любому из мультиметров (диапазон измерения 200 мВ) и, перемещая его торец по экрану электронного устройства измерить зависимость его сопротивления от яркости (от 0 до 100%), результаты измерений занести в протокол.

Содержание отчета

1. Цель работы, схемы измерений (рис. 8.3).

2. Графики зависимости яркости светодиодов от проходящего через них тока. Ток светодиода I_LED=U_R2/R₂, яркость светодиода определяется током фотодиода (при этом I_f=I_б=U_б/R_б).

3. Заполненная таблица 8.2. и график генерируемого фотодиодом напряжения от его освещенности.

Таблица8.2

Исследование функциональной зависимости сопротивления фоторезистора

Освещенность, %	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Напряжение, мВ

4. Выводы (с анализом полученных характеристик, описанием соответствия этих характеристик теории, причины отличий эксперимента и теории).