КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОПТИКИ

ПРАКТИКУМ “ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ”

3

Дослідження характеристик фотодіода

КИЇВ 2001

Список лабораторних робіт та додаткових матеріалів практикуму

“Оптико-електронні прилади і системи”

--------------------------------------------------------------------------------------------

1. Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача.

2. Дослідження характеристик фоторезистора.

3. Дослідження характеристик фотодіода.

4. Електрометричний вимірювач струму.

5. Синхронний детектор.

6. Метод лічби одноелектронних імпульсів.

7. Вимірювання форми імпульсу випромінювання.

8. Реєстрація спектрів пропускання.

9. Реєстрація спектрів випромінювання.

10. Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів.

11. Вимірювання абсолютної та порогової чутливості фотоприймача.

12. Методи модуляційної спектроскопії.

13. Мікрофотометри.

1. Терміни та визначення

2. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Функція Планка.

3. Опис спектрофотометра СФ-5

У цій лабораторній роботі Ви познайомитеся з принципом роботи, будовою, характеристиками фотодіода (ФД), особливостями режимів його роботи як приймач оптичного випромінювання.

Теоретична частина

Фотодіодами називають фотоприймачі, що містять p-n-перехід, і робота яких як приймачів випромінювання заснована на явищах, що проходять у приконтактній області між двома різними матеріалами (метал-напівпровідник, напівпровідник-напівпровідник).

Розглянемо контакт напівпровідників різної провідності (p- і n-типу). У рівноважному стані рівні Фермі обох напівпровідників вирівнюються, а енергетичні зони утворять потенційний бар'єр для основних носіїв (мал.1а), який приблизно дорівнює ширині забороненої зони.

Мал.1. Енергетичні діаграми, що пояснюють вольт-амперні характеристики p-n-переходу.

Така система з внутрішнім потенційним бар'єром знаходиться в рівновазі у відсутності зовнішнього поля і освітлення; потоки електронів та дірок через контактний перехід врівноважують одне одного:

(для електронів), (1)

(для дірок), (2)

де n_n - концентрація електронів у n-області, n_р - те ж у p-області, р_n - концентрація дірок у n-області, р_р - те ж у p-області. Якщо зовнішні контакти двох областей замкнути через зовнішню ланку, то струм у цій ланці не потече.

При прикладанні до p-n-переходу зовнішньої напруги в прямій полярності (тобто, "+" до p-області та "-" до n-області) бар'єр знижується (мал.1б) і струм основних носіїв буде збільшуватися пропорційно exp(eU/kT), де е - заряд електрона, a U - прикладена напруга. При зворотному зміщенні p-n-переходу зовнішнє поле складається з внутрішнім, підвищуючи потенційний бар'єр (мал.1в) і перешкоджаючи дифузії основних носіїв через бар'єр. При величині зворотної напруги U_rev > kT/e дифузійний струм основних носіїв практично припиняється і в зовнішній ланці тече невеликий струм неосновних носіїв.

Вольт-амперна характеристика електронно-діркового переходу, що відбиває описані події і показана на мал.2 (крива 1), достатньо добре представляється наступним виразом:

, (3)

Мал. 2. Вольт-амперна характеристика фотодіода.

Мал. 3. Схеми включення фотодіода; а – фотодіодна, б - фотогальванічна,

де i₀- зворотний струм p-n-переходу, утворений неосновними носіями. Вольт-амперна характеристика освітленого ФД має вигляд:

, (4)

де - число фотонів, що поглинаються в об`ємі напівпровідника за одиницю часу,  - коефіцієнт збору (при малій глибині залягання p-n-переходу - близький до одиниці), - квантовий вихід внутрішнього фотоефекта, P - потужність падаючого випромінювання. Ця характеристика показана на мал.2 (крива 2).

Розрізняють два режими роботи ФД: фотодіодний - зі зворотним зміщенням (мал.2 - квадрант III, мал. За) і фотогальванічний чи вентильний - без зовнішнього джерела живлення (мал. 2 - квадранти IV,I, мал.3б).

У фотодіодному режимі першим членом (4) можна знехтувати (U - негативне):

. (5)

Таким чином, світлова характеристика - лінійна. У фотогальванічному режимі розрізняють два випадки: 1) фотогальванічний режим короткого замикання R_H=0 (i_sc представлений відрізком 0а на мал.2) і 2) фотогальванічний режим холостого ходу (U_xx- представлено відрізком 0б) R_H .

У режимі короткого замикання U₀ = 0 = Ri. З (4):

.

Вважаючи для спрощення  = 1, маємо:

. (6)

Таким чином, світлова характеристика виявляється лінійною. Однак, в дійсності R не можна зробити рівним нулю. У загальному випадку:

, (7)

де R = R_H + r, r - внутрішній опір ФД. Нехай R малий настільки, що iR < kT/e (kT/e = 0,02 В при кімнатній температурі). У реальних випадках R =10³ Ом, i_max =10^-6 A, Ri < 0,001 В). Розкладаючи останній член (7) у ряд і обмежуючись лінійними членами, одержимо:

. (8)

Світлова характеристика й у цьому випадку залишається лінійної (хоча чутливість небагато менша), тобто цей режим при eRi/kT < 1 зберігає всі переваги фотодіодного режиму.

У режимі холостого ходу (або фото-е.р.с) з (4) маємо:

. (9)

Видно, що світлова характеристика змінюється пропорційно lnР і залежить від величини зворотного струму через перехід...

Спектральна чутливість визначається виразом:

; (10)

. (11)

Типові криві спектральної чутливості реальних фотодіодів наведені на мал.4.

Мал.4. Криві спектральної чутливості фотодіодів.

Порівнюючи всі режими роботи ФД, можна сказати наступне. У фотодіодному режимі ФД має більш високу чутливість по напрузі: величина фотоструму практично не змінюється при включенні великого навантажувального опору (мал.2). Отже, і сигнал, що знімається з R_H, може досягати великої величини, тому що внутрішній диференціальний опір ФД у фотодіодному режимі, обумовлений нахилом вольт-амперних характеристик, дуже великий ( >10⁷Ом). Однак, варто пам'ятати, що досить широкий динамічний діапазон світлової характеристики може бути отриманий лише при використанні реєстратора струму (R_in  0). Друга перевага фотодіодного режиму перед фотогальванічним - менша інерційність (розсмоктування носіїв прискорюється зовнішнім електричним полем).

У свою чергу фотогальванічний режим відрізняється двома важливими особливостями - відсутністю джерела живлення, що значно спрощує використання ФД у малогабаритній апаратурі, і надзвичайно низьким рівнем шумів через відсутність темнового струму, флуктуації і температурний дрейф якого найчастіше і визначають цей рівень. Вибір же того чи іншого режиму роботи в кожнім конкретному випадку визначається сумою вимог, висунутих до фотоприймача в заданих умовах його застосування.

Фотодіоди - малоінерційні приймачі випромінювання. У звичайних фотодіодів, у конструкції яких не передбачено спеціальних заходів для підвищення швидкодії, постійна часу визначається часом дифузії неосновних носіїв через перехід. При товщині переходу в декілька мікрометрів час дифузії може бути  10^-7...10^-8 с.

На відміну від фоторезисторів, інерційність ФД не залежить від рівня збудження, тобто від потужності потоку випромінювання. Низький рівень шуму і висока чутливість ставить їх в один ряд з фотоприймачами високої граничної чутливості і дозволяє використовувати їх для вимірювання дуже малих потоків випромінювання (P_min  10^-12 Вт).

На закінчення слід зауважити що ФД, які випускаються на поточний час можуть працювати у всіх режимах (крім селенових фотоелементів, які застосовуються тільки у фотогальванічному режимі холостого ходу).

Створення фотометрів на основі ФД

Найчастіше вживаний на практиці фотодіодний режим роботи застосовується як з реєстраторами постійного, так і змінного струму. У першому випадку (мал.5а) необхідно використовувати ФД із малим темновими струмом, щоб виключити додаткові пристрої компенсації темнового струму та його значний температурний дрейф. У зв'язку з цим дуже ефективне використання модуляційного способу реєстрації (мал.5б) із застосуванням синхронного детектування.

Мал.5. Схеми включення ФД у фотодіодному режимі: а) - за постійним струмом, б) - за модуляційною методикою.

Мал.6. Схеми включення ФД у фотогальванічному режимі: а - короткого замкнення, б - холостого ходу.

Дуже простим за реалізацією є фотогальванічний режим короткого замкнення (мал.6а). У цьому випадку застосовуються підсилювачі з паралельним негативним зворотним зв'язком за напругою (перетворювачі струм-напруга), які мають малий вхідний імпеданс.

Для реалізації фотогальванічного режиму холостого ходу (мал.6б) потрібне застосування підсилювачів з дуже високим вхідним опором. Для цих цілей застосовуються повторювачі напруги (U_out = U_xx). Такий режим використовується досить рідко і лише в тих випадках, коли в межах однієї шкали потрібно вимірювати потоки випромінювання, що змінюються на декілька порядків (фотоекспонометри).

Експериментальна установка побудована на базі спектрофотометра СФ-5, у якому у відсік приймачів випромінювання установлені фотодіоди. На лицьову панель спектрофотометра виведені потенціометр, що змінює напругу зворотного зсуву на фотодіоді, а також стрілочний індикатор цієї напруги. Реакція фотодіода реєструється універсальним вимірювальним приладом типу В7-21. З призначенням інших органів керування можна ознайомитися, звернувшись до інструкції з експлуатації спектрофотометра СФ-5.

Завдання

Перед початком роботи уважно ознайомтеся з усіма матеріалами і літературою, пропонованими до даної лабораторної роботи. Перед початком вимірів спробуйте спрогнозувати свої дії. При необхідності, частіше радьтеся з викладачем або лаборантом.

1. Дослідити залежність темнового струму і фотоструму ФД від напруги зворотного зсуву. Побудувати графіки (у лінійному масштабі) і пояснити отримані залежності. Визначити зворотний струм фотодіода й оцінити струм утоку ФД.

2. Зробити перевірку лінійності світлової характеристики у фотодіодному режимі і фотогальванічному режимі короткого замкнення методом "пробного фільтра".

Корисні поради;

* установити фільтр на каретці кюветного відділення так, щоб мати можливість при зміні положення каретки вводити і виводити фільтр з потоку випромінювання;

* порядок операцій, що рекомендується:

1) у відсутності фільтра розкриттям щілини установити значення фотоструму, що відповідає максимально можливому відліку вимірювача фотоструму;

2) переміщенням каретки кюветного відділення увести фільтр і зробити відлік;

3) зменшити ширину щілини настільки, щоб показання приладу змінилося приблизно в 3 рази, і після введення фільтра зробити відлік;

4) повторити операції п.З) для всіх можливих величин розкриття щілини і чутливості вимірювача струму;

довжина хвилі, що рекомендується - 1000 нм.

Довести, що незмінність відношення реакції фотодіода з фільтром і без нього для всіх значень інтенсивності падаючого на ФД випромінювання свідчить про лінійність світлової характеристики фотодіода.

3. Виміряти світлову характеристику фотодіода у фотогальванічному режимі холостого ходу. Побудувати графік цієї залежності в напівлогарифмічному масштабі.

Корисний поради:

* при вимірах використовуйте властивість лінійності світлової характеристики ФД у режимі короткого замкнення;

* зверніть увагу на можливе ненульове значення напруги холостого ходу при відсутності випромінювання...

4. Вимірити і побудувати криву відносної спектральної чутливості фотодіода. Визначити матеріал ФД. Корисні поради:

* відліки рекомендується робити в діапазоні довжин хвиль від 600 до 1200 нм через кожні 20 нм (при необхідності відліки можна робити частіше);

* для розрахунків кольорову температуру джерела випромінювання прийняти рівною 2500 К;

• регулярно контролюйте показання вимірювального приладу при закритому фотодіоді і вводьте відповідне виправлення відліків при вимірюванні фотоструму. Визначте довжину хвилі максимуму чутливості, область чутливості, а також червону границю фотоефекта. Порівняйте отримані результати з паспортними даними фотодіода.