Лабораторная работа№ 7 Исследование Светодиодов и фотодиодов

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

7.1. Основные сведения о свето- 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. 7.1 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 вp-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей – дрейфовым током.

Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p–n-перехода и емкостьюp–n-переходаC_p–n. На рис. 7.2 представлена ВАХ фотодиода при различных световых потоках Ф; обратный токфотодиода 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.

7.2. Порядок выполнения исследований

1. Перед началом измерений определить сопротивление резистора R2 и балластного резистораR_б, результаты измерений занести в протокол.

2. В работе исследуется три светодиода – красного, желтого и зеленого цветов, причем элементы LED(собственно светодиод) иRD1 размещены в каждом случае на одной плате. Собрать с одним из светодиодов схему, изображенную на рис. 7.3 (положительный вывод светодиода – красный подключается к +28 В).

Рис. 7.3. Схема исследования яркости светодиодов

3. Поместить светодиод в кожух с фотодиодом. Изменяя входное напряжение (контролируется с помощью стрелочного вольтметра) от 0 до 20 В, измерить зависимости падения напряжения на балластном резистореот падения напряжения на резистореR2, результаты измерений занести в протокол (табл. 7.1). Повторить измерения для двух оставшихся светодиодов.

Таблица 7.1