Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Лабораторные работы по оптоэлектронике Исследование основных параметров полупроводникового лазера Электронно-дырочный переход Квантовая физика Полупроводниковые детекторы оптического излучения

Лабораторные работы по оптоэлектронике Квантовая физика

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №2

Полупроводниковые детекторы оптического излучения в устройствах оптоинформатики

Цель работы: Изучение принципов работы и использования приемников оптического излучения на основе полупроводниковых диодов в устройствах оптоинформатики.

Задачи, решаемые в работе:

Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями полупроводниковых фотодиодов на основе p-n перехода.

Исследовать характеристики фотодиода в фотогальваническом и фотодиодном режимах работы. Включение цепи R-L к источнику синусоидального напряжения

Определить диапазон линейности приемника излучения при проведении измерений интенсивности лазерного излучения в различных режимах работы фотодиодов.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Приёмники оптического излучения (фотоприёмники), представляют собой устройства, в которых под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это изменение и измерить его характеристики. Фотоприёмники преобразуют энергию оптического излучения в другие виды энергии (тепловую, электрическую, механическую и т. п.), более удобную для измерений. По принципу действия все фотоприёмники подразделяются на две группы: тепловые, интегрирующие результаты воздействия излучения за длительное время, и более быстродействующие - фотоэлектрические.

Основными параметрами приёмников оптического излучения являются:

Энергетическая (световая) характеристика, которая определяет зависимость реакции приёмника от интенсивности падающего излучения (ампер-ваттная, вольт-ваттная, люкс-ваттная).

Спектральная характеристика чувствительности, которая определяет зависимость реакции фотоприёмника на воздействие излучения с различной длиной волны.

Частотная характеристика, которая определяет зависимость чувствительности фотоприёмника от частоты модуляции и характеризует инерционность приёмника.

Пороговая чувствительность, которая определяет минимальный уровень мощности излучения, который может быть обнаружен на фоне собственных шумов.

Приёмники оптического излучения на основе полупроводников с p-n переходом (фотодиоды), используются в устройствах оптоинформатики для преобразования входного оптического сигнала в электрический за счёт того, что в области p-n перехода полупроводника поглощаемый фотон образует пару новых носителей заряда – электрон и дырку. Количество этих пар пропорционально интенсивности падающего света. Электрическое поле, существующее внутри перехода (рис.1а), затягивает эти электроны в n-область а дырки – в p-область. Поэтому при разомкнутой цепи – n-область заряжается отрицательно, а p-область – положительно, т.е. в p-n переходе возникает эдс (фотоэдс). А при замыкании внешней цепи в ней возникает ток. Такой режим использования фотодиода в качестве фотоприёмника (без внешнего электрического поля) называется фотогальваническим.

При подаче на p-n переход обратного напряжение смещения ширину запирающего слоя можно увеличить (рис.1б). Такой режим использования фотодиода в качестве фотоприёмника называется фотодиодным. Фотодиодный режим обладает рядом достоинств по сравнению с фотогальваническим: малой инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима – наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. Поэтому, при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприёмника в ряде случаев фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.

Одной из задач данной лабораторной работы является определение диапазона линейности энергетической характеристики исследуемых фотодиодов при двух схемах  включения: фотогальванической схеме и схеме фотодиода (рис.1). Следует отметить, что диапазон линейности фотодиодов можно увеличить не только с помощью приложения обратного напряжения смещения, но и с помощью увеличения сопротивления нагрузки R.

Рис.1.Использование фотодиода в фотогальваническом (а) и фотодиодном (б) режимах. R – сопротивление нагрузки, V – вольтметр, ИП – источник питания.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка для выполнения данной работы, принципиальная блок-схема которой приведена на рис.2, состоит из узла источника излучения с полупроводниковым лазером (ПЛ); узла приемника излучения (ПИ), включающего исследуемый фотодиод; ослабителя излучения (НС – нейтральный светофильтр) и измерительных приборов (мультиметры - М1 и М2).

 


Рис.2.Блок-схема экспериментальной установки. ПЛ - полупроводниковый лазер, НС – нейтральный светофильтр (ослабитель излучения), ПИ – приемник излучения, М1 и М2 - измерительные приборы (мультиметры).

Установка смонтирована на оптическом рельсе. Каждый узел (узел источника излучения и узел приемника излучения) установлен в стойке и закреплен на рейтере. Рейтеры установлены на рельсе, который определяет оптическую ось системы. Узел источника излучения снабжен потенциометром для регулировки интенсивности излучения лазера (см. описание лаб. раб. №1). Ослабитель излучения может быть отдельным элементом на рельсе (нейтральный светофильтр в специальной оправе установлен на рельсе на отдельном рейтере) или совмещен с узлом приемника излучения (нейтральный светофильтр смонтирован в форме насадки на входное окно фотоприемника). В качестве измерительных приборов используются мультиметры, с помощью которых в работе производится измерение напряжения (U) и сопротивления (Rпл). При исследовании фотодиода в различных режимах работы используется управляющий блок, принципиальная электрическая схема которого приведена на рис.3. Измерение мощности излучения производится в относительных единицах (В – вольты).  Все измерения в данной работе проводятся при использовании источника излучения (полупроводниковый лазерный модуль) в режиме лазерной генерации – Ipn > Iпор (см. описание лаб. раб.№1).

Рис.3.Принципиальная электрическая схема для измерения интенсивности лазерного излучения, используемая при исследовании полупроводникового фотодиода. ФД – фотодиод; V - вольтметр; R1,  R2 - нагрузочные сопротивления; ИП – источник питания, создающий обратное смещение на p-n переходе (1,5 В); Т1 – тумблер для задания величины нагрузочного сопротивления (имеет два положения 1 и 2 для подключения сопротивления R1 или R2); Т2 – тумблер для переключения фотодиода в различные режимы работы (положение 1 – фотогальванический режим; положение 2 – фотодиодный режим).

При измерении интенсивности излучения измеряется падение напряжения на нагрузочном сопротивлении (R = R1,R2), которое обозначается UПИ (единицы измерения – В). Величина UПИ определяется мощностью лазерного излучения, падающего на входное окно фотодиода - приемника излучения, и характеристиками измерительной схемы. Важной особенностью практического использования фотодиодов в качестве приемников излучения является необходимость их использования в линейном режиме.

 Экспериментальная зависимость UПИ от мощности излучения полупроводникового лазера (W) приведена на рис.4а. Как видно из приведенной зависимости, в данных условиях эксперимента значения UПИ прямо пропорциональны мощности лазерного излучения в диапазоне значений мощности излучения W1÷W2. Следовательно, именно в этом диапазоне значений мощности излучения фотодиод работает в линейном режиме.

Рис.4.Типичная зависимость величин UПИ (а) и τ (б) от мощности лазерного излучения W при работе приемника излучения в фотогальваническом режиме: W1÷Wmax - интервал значений мощности излучения лазера, в пределах которого производятся измерения; W1=Wпор - соответствует мощности излучения при Ipn = Iпор; Wmax соответствует максимальной мощности излучения лазера; W1÷W2 - интервал значений мощности излучения лазера, в пределах которого приемник излучения работает в линейном режиме.

  Следует помнить, что измерения проводятся при величине тока через p-n переход  больше порогового (Ipn ≥ Iпор), когда источник излучения работает в режиме лазерной генерации. Ipn определяется с помощью показаний измерительного прибора М1 (UПЛ), подключенного к источнику излучения через нагрузочное сопротивление Rпл (см. описание лабораторной работы №1).

 В процессе выполнения работы необходимо исследовать зависимость показаний измерительного прибора, подключенного к приемнику излучения, от тока через p-n переход при изменении интенсивности падающего на ПИ излучения и определить линейный диапазон работы исследуемого фотодиода (ФД-24К) в фотогальваническом режиме работы с различной величиной нагрузочного сопротивления и в фотодиодном режиме (с отрицательным смещением) при сопротивлении нагрузки, которое в фотогальваническом режиме работы не позволяет обеспечить линейный режим работы ПИ в используемом интервале изменений мощности лазерного излучения (W≤Wmax).

Интервал значений мощности излучения лазера, в пределах которого приемник излучения работает в линейном режиме, оценивается путем измерения пропускания светофильтра (НС – нейтральный светофильтр, ослабитель излучения) при различных значениях мощности лазерного излучения от Wпор до Wmax. В линейном режиме работы приемника излучения (интервал значений мощности излучения W1÷W2 на рис.4) измеренное значение пропускания светофильтра (t) не зависит от мощности измеряемого излучения, как это показано на рис.4б. 

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение нагретых тел в широком диапазоне частот. Если несколько нагретых излучающих тел окружить идеально отражающей оболочкой, то внутри оболочки установится термодинамическое равновесие т.е. температуры всех тел станут равными, а распределение энергии между телами и излучением не будет изменяться со временем. Такое излучение, находящееся в равновесии с излучающими телами называют равновесным.
Сравнение быстродействия p-n и p-i-n диодов