ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОДИОДА И ФОТОДИОДА

Ростов на Дону

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОДИОДОВ

Цель работы: Ознакомиться с физическими основами действия фотодиодов, изучить их характеристики и параметры в фотодгенераторном и фотопреобразовательном режимах.

4.1. Краткая теория

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический селективный приемник оптического излучения, обладающий односторонней фотопроводимостью. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1)без внешнего источника электрической энергии(режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

В первом режиме используется разновидность внутреннего фотоэффекта, связанная с образованием разности потенциалов (фотоЭДС) при освещении неоднородного полупроводника. Фотодиоды состоят из двух примесных полупроводников с различными типами электропроводности, на границе между которыми создаётся p-n-переход (рис 2), фотодиоды изготовляют из германия, кремния, арсенида, галлия, индия, сульфида кадмия и других полупроводниковых материалов. Световой поток при освещении прибора направлен перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис. 1). В отсутствии освещения и внешнего источника электроэнергии в области p-n-перехода возникает потенциальный барьер, обусловленный неподвижными носителями заряда - положительными ионами в n-области и отрицательными ионами в p-области.

Рис.1. Устройство фотодиода

пар свободных носителей заряда (основных и неосновных), то есть дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов (потенциального барьера) p-n-перехода неосновные носители заряда n-области - дырки переходят в p-область, а неосновные носители заряда p-области - электроны - в n-область. Это приводит созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фотоЭДС. Предельно возможное значение фотоЭДС равно контактной разности потенциалов, которая составляет десятые доли вольт. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фотоЭДС

достигает 0,5-0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия -0,87 В.

Если замкнуть зажимы освещенного фотодиода через резистор, то в электрической цепи появляется ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, значение которого зависит от фотоЭДС и сопротивления резистора. Максимальный ток при одной и той же освещённости фотодиода будет при сопротивлении резистора, равным нулю, то есть при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора, не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода существенно уменьшается.

Если к неосвещённому фотодиоду подключить источник, значение и полярность напряжения которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода.

При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви практически совпадают при сравнительно набольших напряжениях. Отрезок Об на рис. 2 соответствует напряжению холостого хода освещённого фотодиода, то есть фото ЭДС, а отрезок Оа - току короткого замыкания фотодиода. Участок аб характеризует работу фотодиода в режиме фотогенератора. Вольтамперные характеристики фотодиода в этом режиме при различных значениях светового потока построены на рис.3.

Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в запирающем направлении (участок ав на рис..2). Вольтамперные характеристики фотодиода в этом режиме при различных значениях светового потока показаны на рис.2.

Ток мало зависит от сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Токовую чувствительность фотодиода, работающего в режиме фотогенератора, измеряют при коротком замыкании по формуле S_I = I_ф / Ф.

В режиме фотопреобразователя ток практически равен току короткого замыкания, поэтому чувствительность фотодиода по току в обоих режимах принято считать одинаковой. Чувствительность фотодиодов (мА/лм): селеновых - 0,3-0,75, кремниевых - 3, сернисто-серебрянных - 10-15, германиевых - до 20.

Темновой ток фотодиодов, так же как и фоторезисторов, ограничивает минимальное значение измеряемого светового потока. У германиевых фотодиодов он равен 10-30 мкА, у кремниевых - 1-3 мкА. Энергетические характеристики фототока фотодиода в режиме фотопреобразователя линейны, а в режиме фотогенератора зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь.

Спектральные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза, поэтому их широко применяют в фото и кинотехнике. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части излучения.

Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений их параметров от температуры. В частности, темновой ток возрастает почти вдвое при повышении температуры на 10⁰ С, что ограничивает в ряде случаев применение фотодиодов. При этом следует иметь в виду, что кремниевые фотодиоды более стабильны. По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.

На рис 4 приведена схема для снятия вольтамперных характеристик фотодиода в режиме фотогенератора.

1. Вставьте исследуемый макет в стенд так, чтобы «ножки» макета не были закорочены.

2. Соберите схему изучения фотодиода в режиме фотогенератора (рис. 5). Сопротивление нагрузки R_н возьмите равным 1 кОм.

3. Подключите к схеме источник питания Е₁, амперметр и два вольтметра согласно схеме, изображенной на рисунке 5. .

4. Включите блок питания и проверьте наличие входного тока по амперметру А1.

5. Регулятором напряжения источника Е1 установите максимальное входное напряжение U1 и определите максимальное значение входного тока J_макс по амперметру А1.

6. Регулятором напряжения источника Е1 изменяйте величину входного напряжения так, чтобы входной ток J₁ изменялся с шагом 0.1 J_макс и фиксируйте величину выходного напряжения U₂ по вольтметру V2. Вычислите величину тока светодиода по формуле: J_ф= U₂/R_Н.

7. Определите все значения светового потока (в том числе при Ф=0), соответствующие разным значениям входного тока, по формуле Ф=0.27*J₁(mA).

8. Все полученные данные J₁, U₂, Ф и J_ф занести в таблицу.

9. Постройте график зависимости J_ф=f(Ф) фотодиода.

10. Повторите измерения и расчеты при R_н=10 кОм и 100 кОм.

11. Не разбирайте схемы.

1. Соберите схему изучения фотодиода в режиме фотопреобразователя (рис.6). Для

2. Регулятором напряжения источника Е1 установите максимальное входное напряжение U1 и определите максимальное значение входного тока J_макс по амперметру А1.

3. Регулятором напряжения источника Е1 изменяйте величину входного напряжения так, чтобы входной ток J₁ изменялся с шагом 0.1 J_макс и фиксируйте величину выходного напряжения U₂ по вольтметру V2. Вычислите величину тока светодиода по формуле: J_ф= U₂/R_Н.

4. Определите все значения светового потока (в том числе при Ф=0), соответствующие разным значениям входного тока, по формуле Ф=0.27*J₁(mA).

5. Все полученные данные J₁, U₂, Ф и J_ф занести в таблицу.

6. Повторите измерения и расчеты при U₂=15, !0 и 5 В.

7. Постройте графики зависимости J_ф=f(Ф) фотодиода на одном листе.

4.6. Вопросы для подготовки

1. Назовите возможные режимы работы фотодиодов и их особенности.

2. Начертите принципиальные схемы устройства фотодиодов.

3. Расскажите об образовании фотоЭДС при освещении р-и-перехода.

4. Чем ограничена максимальная фотоЭДС фотодиода, работающего в режиме фотогенератора?

5. Нарисуйте вольтамперные характеристики фотодиода в режиме фотоге6нератора.

6. Нарисуйте световые характеристики фотодиода в режиме фотогенератора.

7. Нарисуйте характеристики фотодиода в режиме фотогенератора для нескольких световых потоков. Укажите на характеристиках режимы холостого хода и короткого замыкания.

8. Чем объяснить зависимость интегральной чувствительности фотодиода, работающего в режиме фотогенератора, от напряжения питания?

9. Чем объяснить сильную зависимость темнового тока от температуры окружающей среды у фотодиодов?

10. Чем объяснить различия в спектральных характеристиках германиевых и кремниевых фотодиодов?

11. Какими методами можно улучшить частотные свойства фотодиода?

12. Что такое порог чувствительности фотодиода, и какими физическими процессами он определяется?

13. Какой режим работы фотодиода предпочтительнее при регистрации предельно малых световых потоков, фотогенератора или фотопреобразователя, и почему?

14. Расскажите о технологии изготовления фотодиодов

15. Расскажите о применениях фотодиодов.

Список литературы

1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов.- М.: Радио и связь, 1990.-264 с.: ил.

2. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. Додека 2001г.

3. Гурлев Д.С. Справочник по электронным приборам.- 6-е изд., перераб. и доп.-Киев: Техника, 1979.-464 с.: ил.

4. Дулин В.Н. Электронные приборы: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Радиотехника».- 3-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергия, 1977.- 424 с.: ил.

5. Морозова И.Г. Физика электронных приборов: Учебник для ВУЗов.-М.: Атомиздат, 1980.- 392 с.

6. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов.- М.: Советское радио, 1963.- § 4-12.

Приложение

В данной лабораторной работе используется германиевый фотодиод ФД-1, который имеет герметичный металлический корпус с прозрачным окном.

Технические характеристики фотодиода

интервал рабочих температур от - 40 до + 40оС;

рабочее положение любое;

срок службы не менее 500 час;

темновой ток 15 мкА;

рабочее напряжение 10 В;

интегральная чувствительность 10 мкА/лм