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

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

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.

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. 

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПТОПАР

Условные обозначения микросхем светодиодных оптопар приведены на рис. 13: а) фоторезисторная, б) фотодиодная, в) фототранзисторная, г) фототиристорная оптопары.


В системе параметров оптопар выделяют:

Входные параметры (параметры излучателя):

Входной номинальный ток оптопары Iвх опт, мА;

Входное напряжение Uвх, В при Iвх опт;

Максимальный входной ток Iвх max, мА;

Максимальное входное обратное напряжение Uвх обр max, В;

Выходные параметры (параметры приемника):

Максимально допустимое обратное выходное напряжение Uвых обр max, В;

Максимально допустимый выходной ток Iвых.

Выходной обратный ток (темновой) Iвых т. или ток утечки на выходе Iут при Iвх = 0 и заданном значении Uвых;

Выходное остаточное напряжение (на открытом фототранзисторе) Uост, В;

Передаточные характеристики:

Статический коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх;

Проходная емкость оптопары Свых–вх, пФ;

Время нарастания импульсного выходного тока tнр, с;

Время спада импульсного выходного тока tсп, с;

Для тиристорной оптопары вместо коэффициента передачи по току приводят ток включения Iвкл.

Параметры изоляции:

Сопротивление изоляции между входом и выходом оптопары Rи, МОм;

Максимальное напряжение изоляции Uи max, В.

В справочниках для ряда оптопар может отсутствовать часть указанных выше параметров, а также могут быть приведены дополнительные параметры.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения