Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПОЛУПРО­ВОДНИКОВЫХ Р-П ПЕРЕХОДОВ.

1. Цель работы:

Изучение основных физических закономерностей определяющих свойства и параметры фотодиодов, исследование вольт-амперных, световых и инерционных характеристик этих приборов.

2. Вопросы для подготовки :

1. Назначение фотоэлектрических приборов и области их применения.

- 11 -

3. Фотоэлектрические явления в р-п переходе. Генерация неравно­весных носителей заряда в полупроводниках при воздействии света.

4. Фотоэлектрическая движущая сила.

5. Фотодиодный и вентильные режимы работы фотодиода.

6. Импульсные (инерционные) свойства р-п перехода и их влия­ние на время релаксации фото - ЭДС и тока.

7. Время жизни неравновесных носителей.

8. Спектральная характеристика р-п перехода, спектральная и ин­тегральная чувствительности фотодиода.

3. Указания по выполнению работы:

1. Ознакомиться со схемой и макетом лабораторной установки (рис.3), которая состоит из трех специальных блоков, вольтметра и осциллографа.

В состав блока № 1 входят осветитель HL1, фотодиод VD1, механизм изменения расстояния l_x между осветителем и фотодио­дом. На задней стороне блока расположены гнезда для подключе­ния блока № 2 и напряжения питания осветителя. Расстояние ме­жду источником света и фотодиодом можно изменять при помощи ручки, расположенной слева . Отсчет расстояния производится по шкале , расположенной на лицевой части блока . Блок № 2 предна­значен для управления режимом работы фотодиода и получения двух фиксированных значений напряжения на фотодиоде . С левой стороны блока расположены контактные штыри , предназначенные для сочленения с блоком № 1. В верхней части блока расположены гнезда для подключения микроамперметра и напряжения 12 В.

Блок № 3 позволяет изучать динамические характеристики фото­диода. Он состоит из генератора прямоугольных импульсов, усилителя мощности, светодиода, излучающего прямоугольные световые импульсы большой крутизны, и фотодиода. В состав блока входит также источник питания, вырабатывающий напряже­ния 6,3В и 12В для питания блоков № 1 и № 2 . На лицевой панели

- 12 -

Рис.3. Функциональная схема установки для изучения фотоэлектрических свойств р-п перехода: HL1- источник света (лампа накаливания);

VD1 - фотодиод; SA1 - переключатель режима работы; Р1 – вольт-амперметр; G1 - источник питания; G2 - генератор импульсов; VD2 - светодиод; VD3 - фотодиод; R1 - потенциометр нагрузки фотодиода; Р2 - осциллограф.

- 13 -

блока расположены выключатель питания, гнезда источника пита­ния 6,3В и 12В , гнезда для подключения осциллографа к выводам фотодиода и потенциометра, с помощью которого можно изме­нять сопротивления нагрузки фотодиода, работающего в вентиль­ном режиме от 120 Ом до 1,6 кОм. На задней стенке блока распо­ложены держатели предохранителей и клемма заземления .

4. Порядок проведения работы:

1. Собрать лабораторную установку согласно схеме рис.3 , уде­лив особое внимание правильному соединению гнезд 12В между блоками № 2 и 3 .

2. С разрешения преподавателя или лаборанта включить приборы и блок № 3 и дать им прогреться 20-30 мин.

3. Откалибровать приборы, используемые в работе.

4. Построение вольт-амперной характеристики фотодиода в темновом режиме. Переключатель режимов работы (блок № 2) поставить в поло­жение ВАХ (вольт-амперная характеристика), пределы измерения амперметра установить равными 1 мА. Отключить осветитель , вынув соединительные провода из гнезд 6,3 В блока № 3 .Изменяя переключателем напряжение на фотодиоде от -10 до 0,2 В, считывать показания амперметра , измеряющего ток через фотодиод при световом потоке Ф = 0 . Результаты измерения занести в таблицу 1 (таблицу продумайте самостоятельно).

5. Построение ВАХ фотодиода в режиме освещения. Вращая рукоятку на блоке № 1 , установить расстояние между осветителем и фотодиодом l = 8 см. Включить осветитель. Про­вести измерения, описанные в пункте 4.4 при световом потоке Ф=Ф_о . Установить расстояние между осветителем и фотодиодом l = 5 см и l = 2 см , провести измерения, описанные в п.4.4 при световых потоках Ф=2,56Ф_о и Ф=16Ф_о соответственно . Результаты измерения занести в таблицу 1 .

6. ВАХ в ФД- режиме . Переключатель режимов работы на блоке № 2 поставить в по­ложение ФД. Установить напряжение на фотодиоде -2В при по­мощи соответствующего переключателя .Выключить осветитель . Переключатель пределов из-

- 14 -

мерения миллиамперметра поставить в положение 100 мкА. Считать показания миллиамперметра , изме­ряющего ток через фотодиод при световом потоке Ф=0 . Устано­вить напряжение на фотодиоде -5В и -10В, считывать соответст­вующие показания миллиамперметра. Результаты измерения занести в таблицу 2 (таблицу 2 продумать самостоятельно).

7. Включить осветитель. Вращая рукоятку на блоке № 1 , устано­вить расстояние между осветителем и фотодиодом l = 8см . По­очередно устанавливая напряжение на фотодиоде -2В , -5В,- 10В, считывая соответствующие показания прибора , измеряю­щего ток через фотодиод при световом потоке Ф = Ф_о . Резуль­таты измерения занести в таблицу 2 .

8. Измерение световых характеристик фотодиода. Вращая рукоятку на блоке № 1, поочередно устанавливать рас­стояние между осветителем и фотодиодом l = 7 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2, 1 см. Для каждого значения выполнить операции по измерению тока через фотодиод при трех напряжениях, описанных в п.4.7 . При l = 8 см прибор перевести на предел 1мА. Световой по­ток при изменении расстояния между осветителем и фотодиодом вычисляется по формуле

Ф = Ф_о ( ) ,

где l_о - расстояние между осветителем и фотодиодом, равное 8 см

Ф_о - световой поток при расстоянии между осветителем и фотодио­дом, равном 8см; l _i =7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 см. Полученные результаты занести в таблицу 2 и построить 3 х-ки I_д = f(Ф), где U_д - параметр –2В, -5В и –10 В.

9. Установить на приборе предел измерения 1 мА. Отклю­чить осветитель .

10. Световые характеристики в вентильном режиме. Переключатель режимов работы на блоке № 2 перевести в по­ложение “B” (R_н= 1кOм) вентильный режим работы при сопротив­лении нагрузки 1 кOм, а затем пе­реключатель режима работы перевести в положение “B (R_н=0)” - вентильный режим короткого замыкания.

- 15 -

9. Включить осветитель. Вращая рукоятку на блоке № 1 , изме­нять расстояние между осветителем и фотодиодом от l = 8 см до l = 1 см . При этом в точках l =8 , 7 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2 , 1 см измерять значения токов в цепи фотодиода сначала при R_н = 1 кОм, а затем при R_н = 0. Результаты измерения занести в таблицу 3 (таблицу продумать самостоятельно). В результате данного опыта должны быть получены 2 характеристики I_д = f(Ф)

10. Вращением ручки “Уровень синхронизации” на осциллографе добиться устойчивого изображения последовательности им­пульсов. Изменяя сопротивление нагрузки фотодиода (блок №3) , убедиться в наличии барьерной емкости фотодиода. Поста­вить регулятор сопротивления нагрузки фотодиода в крайнее ле­вое положение . При этом влияние барьерной емкости на пере­ходные процессы в фотодиоде будет минимальным . Зарисовать в масштабе полученное изображение .