6. Задание по работе

1. Измерить спектральную зависимость фототока Результаты занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Результаты измерений

2. Измерить ВАХ фотодиода для двух значений длин волн, задаваемых преподавателем. Результаты измерений занести в табл. 2.1.

Таблица 2.2

Результаты измерений

3. Определить спектральную зависимость фотопроводимости в относительных единицах

где — величина фототока при определенной длине волны излучения; — максимальное значение фототока.

Результаты измерений занести в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Результаты измерений

4. Построить по данным измерений зависимость фототока от освещенности, величина которой представляется в относительных единицах где — ширина выходной щели монохроматора;

5. Построить ВАХ фотодиода для двух длин волн:

6. Определить ширину запрещенной зоны полупроводника, воспользовавшись для этого спектральным положением максимума фотопроводимости

где — ширина запрещенной зоны.

7. Содержание отчета

1. Краткие теоретические сведения о фотопроводимости.

2. Структурная схема установки.

3. Таблицы с результатами измерений, графические зависимости.

4. Анализ полученных результатов, сравнение с литературными данными.

8. Литература

1. Спектрофотометр монохроматический СФ-26. Техническое описание.

2. Оптические методы контроля интегральных микросхем / Под ред. Л. Г. Дубовицкого. — М. : Радио и связь, 1982.

3 . Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. — М. : Высшая школа, 2000.

Лабораторная работа №3. Изучение характеристик фототранзистора

1. Цель работы

Цель работы — изучение основных параметров фототранзисторов, конструкции и устройства спектрофотометра.

2. Фототранзисторы

По схеме включения фототранзистор (рис. 3.1) аналогичен фотодиоду с усилителем постоянного тока. Из этого следует, что фототранзистор намного чувствительнее, чем фотодиод.

Рис. 3.1. Фототранзистор: а — принципиальное устройство; б — схемное обозначение; в — эквивалентная схема

Конструкция. Электроды фототранзисторов располагаются так же, как и в обычных транзисторах. Таким образом, фототранзистор имеет ту же p–n–p-структуру с тремя электродами. Как и другие транзисторы, они находятся в корпусе с оптическим окном, через которое свет поступает на переход «эмиттер–база».

Фототразистор, как и другие транзисторы, можно включать в схемы переключения. Они, конечно, могут монтироваться также и в специальных корпусах. Ввиду их малых размеров они могут использоваться для тех же целей, что и фотодиоды.

Топологически фототранзистор отличается от фотодиода тем, что у него вместо одного два p–n-перехода: «эмиттер–база» и «база–коллектор» (рис. 3.1, а). Смещенный в обратном направлении эмиттерный переход фототранзистора ведет себя как фотодиод. Если между эмиттером и коллектором включить смещающее напряжение, то через фототранзистор будет протекать малый темновой ток вследствие большого сопротивления обратносмещенного перехода «эмиттер–база». Если этот переход осветить, то через него в базу будут инжектироваться освобожденные светом (избыточные) носители, которые заряжают базу отрицательно. Уменьшение базового потенциала приводит к возрастанию коллекторного тока и появлению тока базы. Приращение коллекторного тока соответствует схеме включения транзистора с обратным эмиттером. При этом коллекторный ток связан с базовым соотношением

Так как базовый ток — это ток фотодиода, то из формулы следует, что фототранзистор чувствительнее фотодиода в раз, или в 100–500 раз. Однако по сравнению с фотодиодом фототранзистор более инерционен. Его граничная частота связана с граничной частотой фотодиода соотношением

Таким образом, чем выше усиление тем при прочих равных условиях фототранзистор оказывается более инерционным, тем ýже его частотный диапазон. Для промышленных типов фототранзисторов при коэффициенте усиления 100–500 частота модуляции света не должна превышать нескольких килогерц. Спектральные характеристики фототранзисторов аналогичны спектральным характеристикам фотодиодов. Если они изготовлены из кремния, то их максимум чувствительности лежит вблизи мкм. Для возбуждения кремниевых фототранзисторов хорошо подходят светодиоды из арсенида галлия, максимум излучения которых приходится на ту же длину волны. У германиевых фототранзисторов максимум чувствительности соответствует мкм. Они хорошо работают при возбуждении от лампочки накаливания. При освещенности 800 лк, создаваемой лампой накаливания при цветовой температуре 2700 К, коллекторный ток фототранзистора при В и рабочей площадке 7 мм² достигает 0,8–1,0 мА. Это отвечает интегральной чувствительности 130–150 мА/лм.

Рис. 3.2. Выходные характеристики фототранзисторов

Чувствительность фототранзистора зависит от интенсивности освещения. Она тем больше, чем выше освещенность. При освещенностях 5000–7000 лк фототоки достигают 13–20 мА, что позволяет использовать фототранзистор непосредственно для управления сравнительно сильноточным реле. Особенностью выходных характеристик фототранзисторов снятых для различных освещенностей, является отсутствие четко выраженного участка насыщения коллекторного тока и неравномерное распределение характеристик в семействе (рис. 3.2). Поэтому люкс-амперная характеристика фототранзистора нелинейна: при фототок возрастает быстрее при больших освещенностях, чем при малых.

Большой коэффициент усиления фототранзистора определяет сильную зависимость коллекторного тока от температуры, так как усиливается не только фототок, но и темновой ток. Изменение температуры от 25 до 60С приводит к возрастанию коллекторного тока вдвое. При применении фототранзисторов особенно важно строго следовать его паспортным режимам. С увеличением температуры окружающей среды уменьшается и выходная мощность фототранзистора. Так, если при 25С она составляет примерно 100 мВт, то при 60С она не превышает 20 мВт. Это обстоятельство следует всегда учитывать при эксплуатации фототранзисторов. Имеются также различные схемные методы стабилизации темнового тока транзистора.

Корпус фототранзистора иногда снабжается линзой, собирающей излучение на приемную площадку фототранзистора.

Включение. Наиболее простой и распространенной схемой включения фототранзистора является схема с разорванной базой, когда нагрузка (например, обмотка реле) и источник питания включаются последовательно с эмиттером и коллектором. Такое включение определяет максимальный коэффициент усиления фототока, а следовательно, невысокое быстродействие и плохую температурную стабильность.

Применение. В оптоэлектронике и в фотоэлектрической автоматике фототранзисторы применяются для тех же целей, что и фотодиоды. Встроенное усиление в ряде случаев позволяет значительно упростить схемы и уменьшить их габариты. Фототранзисторные схемы уступают светодиодным по порогу чувствительности и быстродействию. Их температурный диапазон работы, как правило, ýже. Фототранзисторы хорошо работают при больших уровнях возбуждения.