Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

Источники и приемники оптического излучения на основе полупроводников

В устройствах оптоинформатики широко используются оптоэлектронные приборы на основе полупроводников. К этим приборам относятся светодиоды и лазеры – как источники света и фотодиоды – как приёмники оптического сигнала.

Полупроводники – это вещества, которые по величине электропроводности занимают промежуточное значение между металлами и диэлектриками. Полупроводники отличаются от металлов не только меньшей величиной электропроводности, но и тем, что их электропроводность возрастает с ростом температуры. Полупроводники обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям и их параметры, в том числе электропроводность, зависят от температуры и давления, от освещённости, а также от содержания примесей. Эта особенность полупроводников даёт возможность управлять их свойствами. Свойства полупроводников хорошо описывает зонная теория твёрдого тела. Энергетические зоны типичных полупроводников приведены на рис.1. Зонная структура полупроводника, не имеющего примесей, представлена на рис.1.а. Такие полупроводники называются собственными полупроводниками или полупроводниками i-типа.

Рис.1.Зонная структура полупроводников. а – собственный полупроводник, б – полупроводник n-типа, в – полупроводник p-типа.
F – уровень Ферми.

 В образовании электрического тока в собственном полупроводнике участвуют как электроны, переведённые из валентной зоны в зону проводимости, так и образовавшиеся дырки в валентной зоне, которые обуславливают собственную проводимость. Как было отмечено выше, на электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси, которые обуславливают примесную проводимость. Атомы примеси замещают в узлах кристаллической решётки некоторое количество атомов основного вещества. Независимо от конкретной природы, примеси бывают двух типов: донорные и акцепторные. Энергетические уровни электронов примеси располагаются внутри запрещённой зоны: донорные ближе к зоне проводимости (рис.1.б), а акцепторные – ближе к валентной зоне (рис.1.в). Основными носителями тока в полупроводнике, имеющем только донорные примеси, будут электроны в зоне проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа. А при наличии в полупроводнике только акцепторной примеси наиболее вероятным является переход электронов из валентной зоны на уровень акцептора. При этом в валентной зоне образуются дырки, которые и будут являться основными носителями тока в данном полупроводнике. Такие полупроводники называются полупроводниками p-типа. В реальных полупроводниках, добавление в германий сурьмы или мышьяка превращает германий в полупроводник n-типа добавление индия – в полупроводник p-типа. Если в полупроводнике имеется область с двумя типами проводимости, то это приводит к существованию особых условий на границе их раздела - на p-n переходе (рис.2).

 

Рис.2.Движение электронов и дырок в области p-n перехода: а – внешнее электрическое поле отсутствует, б – внешнее электрическое поле приложено в прямом направлении, в – внешнее электрическое поле приложено в обратном направлении.

Так как концентрация электронов и дырок по обе стороны p-n перехода различна, то электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в полупроводник p-типа, а дырки из полупроводника p-типа – в полупроводник n-типа. Таким образом, область полупроводника p-типа вблизи границы раздела зарядится отрицательно, а область полупроводника n-типа – положительно. Образовавшееся контактное электрическое поле будет удалять электроны и дырки в глубь соответствующих полупроводников. Этот тонкий слой (несколько десятков микрон)  носит название обеднённого слоя или запирающего слоя (рис.2-а). Если к системе приложить внешнее электрическое поле: плюс к полупроводнику p-типа, а минус к полупроводнику n-типа, то толщина запирающего слоя уменьшается или становится равной нулю. В этом случае через p-n переход потечёт ток (рис.2-б). Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Если направление внешнего электрического поля совпадает с направлением образовавшегося контактного поля, то толщина запирающего слоя значительно увеличивается, и ток через p-n переход не течёт (рис.2-в). Такое направление внешнего электрического поля называется обратным или запирающим.

Полупроводники с p-n переходом используются как источники излучения (лазеры) и как приёмники оптического сигнала (фотодиоды). Лабораторные работы данного раздела посвящены  исследованию основных параметров полупроводниковых лазеров и полупроводниковых фотодиодов

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

 Для маркировки светоизлучающих приборов российского производства приняты две системы обозначений. Покажем их на примерах:

АЛС338Б (3ЛС338Б)

А – (или цифра 3) материал полупроводника (GaAs или GaP, GaAsP и т.д.);

Л – светоизлучающий диод;

С – матрица из светодиодов (например, цифровой индикатор из семи сегментов);

338 – порядковый номер разработки;

Б – группа. (А, Б, В, Г … – диоды одного типа, но различающиеся по некоторым параметрам).

КИПД05А-1К

К – прибор широкого (общепромышленного) назначения;

И – индикатор;

П – полупроводниковый;

Д – единичный светодиод (или М – для мнемонических табло, Т - линейная шкала из диодов, Ц – знакосинтезирующий индикатор;

05 – номер разработки;

А – группа (А, Б, В …);

1 – число диодов в индикаторе;

К – красный (или Л – зеленый, Г – голубой, Ж – желтый, Р – оранжевый, С – синий, М – многоцветный).

  Основными параметрами светоизлучающих диодов являются:

Сила света Iv – излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении максимального излучения. Указывается при заданном значении прямого тока Iпр, мА и измеряется в милликанделах (мкд);

Яркость L – величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (для мнемонических и многосегментных индикаторов). Указывается при заданном значении прямого тока Iпр, мА и измеряется в кд/м2.

Мощность излучения (для излучающих диодов ИК-диапазона). Указывается при заданном значении Iпр, мА и измеряется в милливаттах (мВт);

Постоянное прямое напряжение Uпр, В – значение напряжения на светодиоде при протекании заданного прямого тока;

Максимум спектрального распределения λmax, мкм – длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики светодиода;

Спектральная характеристика светодиода – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света (представляется графически);

Световая (яркостная) характеристика – зависимость силы света от прямого тока (представляется графически);

Диаграмма направленности – снижение силы света в зависимости от угла, под которым ведется наблюдение (излучение может быть узконаправленным или рассеянным);

Вольтамперная характеристика – аналогична характеристике обычного диода;

Зависимость силы света от температуры (в интервале рабочих температур Iv может меняться в 2÷3 раза, с повышением температуры сила света уменьшается);

Светоизлучающие диоды имеют большой разброс параметров от образца к образцу. Изготовителем указываются крайние значения параметров, являющиеся критерием годности при их производстве.

Предельно допустимые режимы эксплуатации – указываются максимальные значения прямого тока Iпр, max, мА, обратного напряжения Uобр, max, В и др. параметры, при которых обеспечивается заданная надежность работы прибора.

Условное обозначение светодиода приведено на рис. 10.


Светодиоды в основном применяются как элементы индикации включения, готовности аппаратуры к работе, наличия напряжения питания в блоке, аварийной ситуации и других состояний.

Линейные шкалы (столбики из светодиодов) служат для отображения непрерывно изменяющейся информации – уровня звукового сигнала, уровня горючего в баке и т.д. Достоинства – наглядность отображения и быстрота восприятия информации.

Цифро-буквенные индикаторы используются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Наиболее часто используются индикаторы имеющие 7 сегментов на десятичный разряд (рис. 10,г).

Инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды) применяются в оптических каналах передачи информации (дистанционный пульт управления телевизора), линиях, требующих гальванической развязки, датчиках систем автоматики, охранной сигнализации и т.д. Излучение ИК-диода не может быть воспринято человеческим глазом, и регистрируется обычно фотодиодом или фототранзистором.

Ввиду нелинейности вольтамперной характеристики (резкого возрастания прямого тока при прямом напряжении выше 2÷3 В) светодиоды всегда подключают к источнику питания через балластное сопротивление (рис. 10,а,б), величина которого может быть найдена из соотношения

 Rб = (Е–Uпр)/Iпр. (6)

Обычно информация, предназначенная для отображения цифровым или шкальным индикатором, поступает в двоичном коде. Для преобразования ее в натуральный для шкал или 7-сегментный код используются микросхемы – дешифраторы (рис. 10,в). Некоторые типы дешифраторов имеют токовые выходы (создают заданную величину тока, независимо от величины падения напряжения на диоде). В этом случае светодиоды индикатора можно подключать к выходам дешифратора без балластных резисторов (рис. 10,в).


Полупроводниковые детекторы оптического излучения