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 в виде 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, что 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 и 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 Rб, 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.
3. Поместить светодиод в кожух с фотодиодом. Изменяя входное напряжение Uвх (контролируется с помощью табло источника постоянного напряжения) от 0 до 20 В, измерить зависимости падения напряжения на балластном резисторе Rб от падения напряжения на резисторе R2, результаты измерений занести в протокол. Повторить измерения для трех оставшихся светодиодов.
RD1
Rб
F
LED
V
V
Рис. 8.3. Схема исследования яркости светодиодов
5. Для измерения зависимости генерируемого фотодиодом напряжения от длины волны падающего на него света 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 длины волны, результаты измерений занести в протокол.
7. Собрать схему для исследования обратной ветви ВАХ фотодиода, изображенную на рис. 8.4 (отрицательный вывод фотодиода - черный – подключается к источнику питания). Закрыв кожух фотодиода провести измерение зависимости падения напряжения Uб на балластном резисторе Rб от напряжения на фотодиоде Uf, результаты занести в протокол.
Рис. 8.4. Схема исследования обратной ветви ВАХ фотодиода
8.Повторить измерения по п. 7, вставляя в кожух фотодиода синий и красный светодиоды, подключенные к генератору сигналов при частоте 1000 Гц (сигнал прямоугольной формы), результаты занести в протокол.
Содержание отчета
1. Цель работы, схемы измерений (рис. 8.3., 8.4).
2. Заполненная таблица 8.1 и график (для всех светодиодов - на одном рисунке) зависимости яркости светодиодов от проходящего через них тока. Ток светодиода ILED=UR2/R2, яркость светодиода определяется током фотодиода (при этом If=Iб=Uб/Rб).
Таблица 8.1