2.6. Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- наименование и цель работы;

- принципиальную схему лабораторной установки;

- описание хода выполненной работы с включением по его тексту:

- временные диаграммы, срисованные с экрана ЭО;

- таблицы с экспериментальными и расчётными данными;

- расчёты, не сведённые в таблицу;

- график зависимости U=U₃(E_г);

- анализ полученных результатов, оформленный в виде выводов по работе.

2.7. Контрольные вопросы

1. В чём заключается цель и программа данной лабораторной работы?

2. Какие присоединения нужно выполнить при подготовке лабораторной установки к работе?

3. Как снимаются диаграммы напряжения на испытуемом диоде и тока через него?

4. Каким прибором измеряется амплитуда прямоугольных импульсов, вырабатываемых генератором импульсов?

5. Какими способами определяется время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике и чем каждый из них заключается?

6. Как экспериментально определить контактную разность потенциалов р-n-перехода?

7. Каково назначение выключателя Sв схеме лабораторной установки? Когда он должен быть включен и когда выключен? Каково назначение резисторовR1 иR2 в схеме лабораторной установки?

8. Каково назначение диода VD6 в схеме лабораторной установки?

9. Что должен содержать отчёт по лабораторной работе?

10. Что такое диффузионная ёмкость р-n-перехода и как её величина зависит от величины и полярности приложенного к р-n-переходу напряжения?

11. Что такое барьерная ёмкость р-n-перехода и при каких условиях она играет наиболее заметную роль?

12. Как выглядит эквивалентная схема замещения р-n-перехода? Каков смысл каждого из её элементов?

13. Какие переходные процессы протекают в р-n-переходе при подаче на него скачком прямого напряжения?

14.Пояснить качественный характер временных диаграмм тока диода и напряжений на р-n-переходе, на сопротивлении базы, на диоде в целом при подаче скачком прямого напряжения?

15.Какие переходные процессы протекают в р-n-переходе при снятии скачком прямого напряжения? Пояснить качественный характер временных диаграмм тока и напряжений при снятии скачком прямого напряжения.

16.Как определить время жизни неосновных носителей заряда по временной диаграмме напряжения на диоде?

17.Какие переходные процессы протекают в р-n-переходе при подаче скачком обратного напряжения?

18.Пояснить качественный характер временных диаграмм тока и напряжений при подаче скачком обратного напряжения.

19.Как определить время жизни неосновных носителей заряда по временной диаграмме тока диода?

20.Чем определяется быстродействие полупроводниковых диодов?

2.8. Рекомендованная литература

1. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. – М.: Высш. шк., 1979.

2. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. – М.: Высш. шк., 1986.

3. Исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых светоизлучающих диодов

3.1. Цель работы

Целью работы является изучение основ физических процессов, лежащих в основе работы светоизлучающих приборов, приобретение практических навыков снятия вольт-амперных характеристик светодиодов.

3.2. Программа работы

3.2.1. Снять прямые ветви ВАХ полупроводникового выпрямительного диода и трех светодиодов (красного, зеленого и желтого цветов).

3.2.2. Определить напряжение и ток включения светодиодов.

3.2.3. Рассчитать статические и динамические сопротивления для каждого из диодов, построить соответствующие графики зависимостей.

3.3. Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый излучатель– оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

В качестве малоинерционных полупроводниковых источников излучения все шире применяются светоизлучающие диоды (светодиоды), работающие при прямом напряжении. Иногда их называютинжекционными светодиодам,а свечение, возникающее в светодиодах, относят к появлению так называемойинжекционной электролюминесценции.

Электролюминесценциейназывается испускание света твердым телом под действием приложенного электрического напряжения. В процессе электролюминесценции происходит непосредственное преобразование энергии электрического поля в излучение. Этот вид излучения обусловлен рекомбинацией носителей заряда.

Электролюминесценция бывает в основном двух видов: предпробойная и инжекционная.

Предпробойная электролюминесценция возникает при больших напряженностях электрического поля, близких к пробойным. Однако в отличие от явления электрического пробоя для возникновения электролюминесценции достаточно, чтобы поле большой напряженности могло существовать в небольшом объеме люминесцирующего кристалла, например, возле р-n-перехода или у электрода. Остальной объем кристалла в этом случае не дает возможности развиться пробою, разрушающему электролюминесцирующий материал.

Инжекционная электролюминесценция в отличие от предпробойной требует приложения к образцу небольших разностей потенциалов порядка нескольких вольт. Инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оптического излучения в р-n-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию.

Принцип работы светодиодов заключается в следующем (рис.3.1). При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы. Например, если концентрация электронов вn-области много больше (эмиттерная область), чем концентрация дырок вp-области (базовая область), т.е.n_n>p_p, то происходит инжекция электронов изn-области вp-область. Инжектированные электроны рекомбинируют с основными носителями базовой области, в данном случае с дыркамиp-области. Рекомбинирующие электроны переходят с более высоких энергетических уровней зоны проводимости, близких к ее нижней границе, на более низкие уровни, расположенные вблизи верхней границы валентной зоны. При этом выделяется фотон, энергия которого примерно равна ширине запрещенной зоныW, т.е.

h = hc /   W. (3.1)

Подставляя в эту формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны W(в эВ), необходимую для излучения с той или иной длиной волны(в мкм):

W1,23. (3.2)

Из этого соотношения следует, что для излучения видимого света с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм полупроводник должен иметь W>1,7эВ. Германий и кремний непригодны для светодиодов, так как ширина запрещенной зоны у них слишком маленькая. Для современных светодиодов применяют главным образом фосфид галлияGaPи карбид кремнияSiC, а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlAs) или галлия, мышьяка и фосфора (GaAsP) и др. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получать свечения различных цветов.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются диоды инфракрасного (ИК) излучения, изготовляемые преимущественно из арсенида галлия GaAs. Они применяются в фотореле, различных датчиках и входят в состав некоторых оптронов.

Основные параметры светодиодов следующие:

1. Сила света, измеряемая в канделах (единица силы света, испускаемая стандартным специальным источником) и указываемая для определенного значения прямого тока. У светодиодов сила света обычно составляет до единиц Кд.

2. Яркость, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (десятки – сотни кандел на см²).

3. Постоянное прямое напряжение (2-3 В).

4. Цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку.

5. Максимальный допустимый постоянный прямой ток (десятки мА).

6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).

7. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод может нормально работать (например, от –60 до +70⁰С).

Для светодиодов обычно рассматриваются следующие характеристики. Яркостная характеристика дает зависимость яркости от прямого тока, а световая характеристика – зависимость силы света от прямого тока. Спектральная характеристика показывает зависимость излучения от длины волны. Вольт-амперная характеристика светодиода такая же, как и у обычного выпрямительного диода. Важной характеристикой является диаграмма направленности излучения, которая определяется конструкцией диода, в частности наличием линзы, и другими факторами. Излучение может быть направленным или рассеянным (диффузным).

Некоторые параметры светодиодов зависят от температуры. Так, например, яркость и сила света с повышением температуры уменьшаются. Быстродействие у светодиодов высокое. Свечение возрастает до максимума в течение примерно 10^-8с после подачи на диод импульса прямого тока.

Светодиоды конструируют так, чтобы наружу выходил как можно больший световой поток. Однако значительная часть потока излучения все же теряется за счет поглощения в самом полупроводнике и полного внутреннего отражения на границе кристалл-воздух. Конструктивно светодиоды выполняются в металлических корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение, или в прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение. Изготовляются также бескорпусные диоды. Масса диода составляет доли грамма.

Светодиоды являются основой более сложных приборов: линейной светодиодной шкалы, цифро-буквенного светодиодного индикатора и др.