Ishanin_G_G__Malceva_N_K__Musyakov_V_L__Istoch_BookZZ_org

Лабораторная 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

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)

Рис. 19. Индикатриса силы излучения ПИД

Индикатриса излучения ПИД, в основном, определяется его материалом и конструкцией (рис. 20).

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

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.

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

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.

Рис. 22. Конструкция фоторезистора в металлическом корпусе: 1 - изолирующая подложка; 2 - ФЧЭ; 3 - входное окно;

4 -корпус; 5 - контакт; 6 - вывод

36

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":

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).

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

ческий сигнал (с учетом его угловой характеристики чувствительности), пользуются следующей формулой:

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).

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:

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;

Обычно стремятся к тому, чтобы σ'А ≤ θ0,5.

38

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).

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