![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
itmo48
.pdfЛабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДИКАТРИС ИЗЛУЧЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ"*
Цели работы
−изучить устройство и принцип действия полупроводниковых излучающих диодов (ПИД);
−дать практические навыки по экспериментальному определению индикатрис источников излучения;
−изучить физические и конструктивные факторы, влияющие на индикатрисы излучения ПИД;
−закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения".
Краткие теоретические сведения
Принцип действия ПИД (светодиодов) основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с p-n- переходом. ПИД преобразуют электрическую энергию в энергию излучения. При протекании тока через p-n-переход значительная часть неосновных носителей заряда рекомбинирует, излучая при этом фотоны. Вводимые в исходный материал при создании p-n-перехода примеси являются активаторами люминесценции.
Основными параметрами ПИД являются квантовая эффективность, мощность излучения (яркость), время нарастания и спада импульса излучения, угол излучения. К основным характеристикам ПИД относятся спектральная характеристика излучения, яркостная характеристика, вольт-амперная характеристика, индикатриса излучения.
Спектр электролюминесценции определяется шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала и механизмом рекомбинации.
Квантовая эффективность это отношение числа испускаемых квантов к количеству прошедших через p-n-переход электронов.
Внутренняя квантовая эффективность определяется коэффициен-
том инжекции в область эффективной люминесценции и соотношением скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации.
Внешняя квантовая эффективность зависит также от формы кристалла с p-n-переходом, конструкции ПИД и от поглощения
31
![](/html/2706/248/html_Kd3xO2fBY3.tlSU/htmlconvd-d5aQ_F32x1.jpg)
излучения при его выводе из кристалла.
Индикатриса излучения (диаграмма направленности излучения) источника излучения L(ϕ,θ) или I(ϕ,θ) это распределение яркости или силы излучения источника в пространстве или плоскости (рис. 19).
Угол излучения θпид угол между направлениями, где относительная сила излучения ПИД превышает уровень 0,5 (рис. 19).
θпид
θ
Iотн(θ)
0,5 |
1 |
Рис. 19. Индикатриса силы излучения ПИД
Индикатриса излучения ПИД, в основном, определяется его материалом и конструкцией (рис. 20).
|
1 |
p |
|
1 |
p |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
1 |
|
|
|
||
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
3 |
|
|
1 |
p |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
а |
|
|
б |
|
в |
|
Рис. 20. Схемы конструкций ПИД:
а - отражательный ПИД; б - плоский ПИД; в - полусферический ПИД; 1 - контакты; 2 - параболическая поверхность;
3 - отражающее покрытие
Значительную концентрацию потока излучения вдоль какоголибо направления удается получить лишь за счет использования
32
![](/html/2706/248/html_Kd3xO2fBY3.tlSU/htmlconvd-d5aQ_F33x1.jpg)
дополнительных внешних фокусирующих элементов или отражающих покрытий, нанесенных на кристалл (рис. 20, а).
Потери излучения в ПИД плоской конструкции (рис. 20, б) обусловлены тем, что на границе "кристалл - воздух" имеет место полное внутреннее отражение той части потока, угол падения которой на границу сред превышает критический.
Описание лабораторной установки
Установка (рис. 21) состоит из фотоприемной головки 1 с фотодиодом 2, расположенным в фокальной плоскости объектива 3, и набора испытываемых ПИД 4, устанавливаемых на поворотном устройстве 5.
Питание на ПИД 4 подается от блока питания 8, встроенного в персональную ЭВМ 7. Излучение ПИД модулируется напряжением питания с частотой 50 Гц. Сигнал от фотодиода поступает через аналого-цифровой преобразователь 6 в ПЭВМ 7.
1 |
3 |
5 |
|
|
θ |
2 |
|
4 |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
8 |
~220 В |
|
7 |
|
|
Рис. 21. Схема лабораторной установки
Порядок выполнения работы
1.Вставить загрузочную дискету в дисковод.
2.Включить ПЭВМ выключателем слева на задней стенке системного блока и монитор выключателем на передней стенке монитора
33
(должны загореться 2 красные лампочки на клавиатуре, а на экране появиться символ "]" ).
3.Загрузить программу выполнения лабораторной работы: [RUN LS], [RETURN].
4.Прочитать указания на экране монитора и в дальнейшем выполнять все инструкции, появляющиеся на экране.
5.После начальной информации следует осуществить прогрев установки в течение 2...3 минут.
6.После окончания прогрева нажать любую клавишу и провести калибровку системы, следуя указаниям, появляющимся на экране. Для этого необходимо установить поворотный столик с ПИД таким образом, чтобы оптические оси фотоприемной головки и ПИД примерно совпадали. Для изменения величины сигнала следует использовать потенциометр на правой стенке системного блока ПЭВМ. При правильной калибровке появится сообщение о готовности системы к работе.
7.Ввести шаг изменения угла поворота ПИД и количество серий измерений, которые задаются преподавателем.
8.Определить индикатрису излучения ПИД, разворачивая его в вертикальной плоскости.
8.1.Развернуть поворотное устройство в положение "-90°" с помощью маховичка привода, установив отметку "9" лимба против неподвижного индекса.
8.2.Нажать клавишу [RETURN]. Очередное показание величины угла поворота будет высвечиваться на экране монитора рядом с курсором.
8.3.Развернуть поворотное устройство на указанную на экране величину и нажать клавишу [RETURN]. Повторять эти действия до окончания первой серии измерений.
8.4.После проведения последнего измерения первой серии
(при угле +90°) следует вернуть поворотное устройство в исходное положение (-90°).
8.5.Повторить п.п. 8.1-8.4 заданное число раз.
9.Установить поворотное устройство в нулевое положение, отпустить стопорный винт на оправе ПИД, повернуть оправу с ПИД
вокруг горизонтальной оси на 90° в любую сторону и зажать стопорный винт.
10.Определить индикатрису излучения ПИД во второй плоскости, повторив п.п. 8.1-8.4 заданное число раз.
11.Получить результаты измерений в обеих плоскостях в таб-
34
личной и графической формах.
Примечание. При появлении на экране сообщения "CAN NOT CONTINUE ERROR" следует обратиться к преподавателю.
Содержание отчета
1.Краткие теоретические сведения (принцип действия, конструкции, основные параметры и характеристики ПИД).
2.Схема лабораторной установки и ее описание.
3.Таблицы с результатами измерений.
4.Графики индикатрис излучения ПИД в двух плоскостях.
5.Выводы по работе.
Вопросы для подготовки
1.Принцип действия ПИД.
2.Основные параметры и характеристики ПИД.
3.Конструкции ПИД.
4.Схема включения ПИД.
5.Измерение и построение индикатрис излучения ПИД.
6.Факторы, влияющие на вид индикатрисы излучения ПИД.
Литература
Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. - СПб.: Политехника, 1991.
35
![](/html/2706/248/html_Kd3xO2fBY3.tlSU/htmlconvd-d5aQ_F36x1.jpg)
Лабораторная работа "ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ"*
Цели работы
− изучить угловые характеристики чувствительности приемников оптического излучения (ПОИ) на основе внутреннего фотоэффекта фотоэлектрических полупроводниковых приемников (ФЭПП);
−научиться согласовывать угловую характеристику чувствительности ПОИ с апертурным углом оптической системы;
−ознакомиться с конструкцией некоторых типов ПОИ;
−закрепить лекционный материал по курсу "Источники и приемники излучения".
Краткие теоретические сведения
Угловая (апертурная) характеристика чувствительности ПОИ S(ϕ,θ) это зависимость чувствительности ПОИ от угла падения лучей на его входное окно.
С увеличением угла падения чувствительность ПОИ уменьшается. Это вызывается несколькими причинами.
В некоторых ПОИ фоточувствительный элемент (ФЧЭ) удален от входного окна ПОИ (рис. 22), что приводит к потерям части потока при косом падении лучей.
2 |
3 |
4 |
|
|
5 |
|
1 |
6 |
|
|
Рис. 22. Конструкция фоторезистора в металлическом корпусе: 1 - изолирующая подложка; 2 - ФЧЭ; 3 - входное окно;
4 -корпус; 5 - контакт; 6 - вывод
36
![](/html/2706/248/html_Kd3xO2fBY3.tlSU/htmlconvd-d5aQ_F37x1.jpg)
При больших углах падения значительно увеличиваются потери потока за счет отражения от входного окна и ФЧЭ, так как, согласно закону Френеля, спектральный коэффициент отражения на границе "воздух - стекло":
ρ(λ) = 1 |
sin |
2 |
(ε − ε') |
+ tg |
2 |
(ε − ε') , |
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
2 |
sin |
|
(ε + ε') |
|
tg |
|
(ε + ε') |
где ε и ε' углы падения и преломления, соответственно.
Кроме того, при наклонном падении пучка лучей действующее входное окно ПОИ уменьшается пропорционально косинусу угла падения (рис. 23).
|
Dво |
|
Dво cos ε |
Входное |
ε |
окно ПОИ |
|
ФЧЭ |
|
Рис. 23. Уменьшение действующего входного окна ПОИ при наклонном падении пучка лучей:
Dво - диаметр входного окна ПОИ
Указанные обстоятельства приводят к зависимости чувствительности ПОИ от угла падения лучей. Типичная угловая характеристика чувствительности ПОИ представлена на рис. 24.
Sотн
1
0,5
θ
θ0,5
Рис. 24. Угловая характеристика чувствительности ПОИ
При расчете потока излучения, преобразуемого ПОИ в электри-
37
![](/html/2706/248/html_Kd3xO2fBY3.tlSU/htmlconvd-d5aQ_F38x1.jpg)
ческий сигнал (с учетом его угловой характеристики чувствительности), пользуются следующей формулой:
|
|
|
2 |
θmax |
Φe |
= τвоΦ0 |
|
∫sin θ cosθ Sотн (θ) dθ = τво AаΦ0 , |
|
sin |
2 |
|||
|
|
θmax |
0 |
где τво коэффициент пропускания входного окна ПОИ; Φ0 поток излучения, падающий на входное окно ПОИ; θ угол падения лучей на входное окно ПОИ; θmax максимальный угол падения лучей на входное окно ПОИ; Sотн(θ) относительная угловая характеристика чувствительности ПОИ; Аа апертурный коэффициент ПОИ;
Aа = sin22θmax ∫sinθ cosθ Sотн (θ) dθ .
Угловая характеристика чувствительности ПОИ дает возможность согласовать ПОИ с его оптической системой (рис. 25).
σ'А |
ПОИ |
|
|
f' |
|
Рис. 25. Согласование ПОИ с оптической системой
Если объектив ПОИ проектирует бесконечно удаленный источник излучения на входное окно ПОИ и облученность входного зрачка объектива во всех точках одинакова, то поток излучения, преобразуемый ПОИ в электрический сигнал, будет равен:
Φe = τEвх Aвх sin22σ'A |
σ'A |
∫0 sin θ cosθ Sотн (θ) dθ = τEвх Авх Аа , |
где τ коэффициент пропускания объектива и входного окна ПОИ; Евх облученность входного зрачка объектива; Авх площадь входного зрачка объектива; σ'А задний апертурный угол объектива;
Аа = |
2 |
σ'A |
||
sin θ cosθ Sотн (θ) dθ . |
||||
sin2 |
σ'A |
|||
|
∫0 |
Обычно стремятся к тому, чтобы σ'А ≤ θ0,5.
38
![](/html/2706/248/html_Kd3xO2fBY3.tlSU/htmlconvd-d5aQ_F39x1.jpg)
Описание лабораторной установки
Установка (рис. 26) состоит из коллиматора 1 с полупроводниковым излучающим диодом (ПИД) 2, расположенным в фокальной плоскости объектива коллиматора 3, и набора испытываемых ПОИ 4, устанавливаемых на поворотном устройстве 5.
Питание на ПИД 2 подается от блока питания 6, встроенного в персональную ЭВМ 7. Излучение ПИД на основе арсенида галлия модулируется напряжением питания с частотой 50 Гц. Сигнал от ПОИ поступает через аналого-цифровой преобразователь 8 в ПЭВМ 7.
Порядок выполнения работы
1.Вставить загрузочную дискету в дисковод.
2.Включить ПЭВМ выключателем слева на задней стенке системного блока и монитор выключателем на передней стенке монитора (должны загореться 2 красные лампочки на клавиатуре, а на экране появиться символ "]" и курсор).
1 |
3 |
5 |
|
|
θ |
2 |
|
4 |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
8 |
~220 В |
|
7 |
|
|
Рис. 26. Схема лабораторной установки
3.Загрузить программу выполнения лабораторной работы: [RUN LF] (или [RUN LRIAB]), [RETURN].
4.Прочитать указания на экране монитора и в дальнейшем выполнять все инструкции, появляющиеся на экране.
5.После начальной информации следует осуществить прогрев
39
установки в течение 2...3 минут.
6.После окончания прогрева нажать любую клавишу и провести калибровку системы, следуя указаниям, появляющимся на экране. Для этого необходимо установить поворотный столик с ПОИ таким образом, чтобы оптические оси коллиматора и ПОИ примерно совпадали. Для изменения величины сигнала следует использовать потенциометр на правой стенке системного блока ПЭВМ. При правильной калибровке появится сообщение о готовности системы к работе.
7.Ввести шаг изменения угла поворота ПОИ и количество серий измерений, которые задаются преподавателем.
8.Определить угловую характеристику чувствительности ПОИ, разворачивая его в вертикальной плоскости.
8.1.Развернуть поворотное устройство в положение "-90°" с помощью маховичка привода, установив отметку "9" лимба против неподвижного индекса.
8.2.Нажать клавишу [RETURN]. Очередное показание величины угла поворота будет высвечиваться на экране монитора рядом с курсором.
8.3.Развернуть поворотное устройство на указанную на экране величину и нажать клавишу [RETURN]. Повторять эти действия до окончания первой серии измерений.
8.4.После проведения последнего измерения первой серии
(при угле +90°) следует вернуть поворотное устройство в исходное положение (-90°).
8.5.Повторить п.п. 8.1-8.4 заданное число раз.
9.Установить поворотное устройство в нулевое положение, отпустить стопорный винт на оправе ПОИ, повернуть оправу с ПОИ
вокруг горизонтальной оси на 90° в любую сторону и зажать стопорный винт.
10.Определить угловую характеристику чувствительности ПОИ во второй плоскости, повторив п.п. 8.1-8.4 заданное число раз.
11.Получить результаты измерений в обеих плоскостях в табличной и графической формах.
Примечание. При появлении на экране сообщения "CAN NOT CONTINUE ERROR" следует обратиться к преподавателю.
Содержание отчета
1. Краткие теоретические сведения (угловая характеристика
40