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

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Эффект Дембера.

Механизм образования фото – э.д.с. в полупроводниках с электронно-дырочным переходом.

Основные соотношения для фотодиодов.

Основные параметры и характеристики фотоэлементов и фотодиодов.

Явление возникновения фото-ЭДС между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом, разделенными электрическим переходом, под действием электромагнитного излучения оптического диапазона, называется фотогальваническим эффектом.

Данный эффект применяется в таких оптоэлектронных приборах как фотоэлементы и фотодиоды.

Каждый фотоэлемент характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применимости в технике. К основным из них относятся: вольт-амперная, световая, частотная и спектральная характеристики, интегральная и спектральная чувствительности, к.п.д.

Нагрузочные вольт-амперные характеристики выражают зависимость тока нагрузки Iн от напряжения на фотоэлементе  при включении его на различные нагрузочные сопротивления и постоянной освещенности . Эта зависимость имеет вид

  (1)

При Rн=0 точка, лежащая на оси токов, соответствует току Iк.з. , так как при Rн=0 и из выражения (1) имеем : , т.е. точка пересечения вольт-амперной характеристики с осью токов дает значение

При Rн →точка, лежащая на оси токов, соответствует фото-э.д.с., так как при Rн → Iн=0 и из выражения (1) имеем: , т.е. точка пересечения вольт-амперной характеристики с осью напряжений дает значение фото-э.д.с.

Если освещенный фотоэлемент замкнут на сопротивление Rн, то в цепи установится ток Iн , величина которого определяется качеством фотоэлемента , интенсивностью освещения и величиной этого сопротивления. Вольт-амперные характеристики для нескольких значений освещенности представляют собой ряд кривых, смещенных друг относительно друга , причем ток Iк.з. в широких пределах изменения светового потока пропорционален ему (), а фото-э.д.с. стремится к насыщению.

Световые (интегральные) характеристики выражают зависимость фото-э.д.с., тока короткого замыкания и тока нагрузки от освещенности или светового потока: 1) , 2) , 3) . Зависимость тока  () от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна, а характеристики, выражающие зависимость тока нагрузки от освещенности, нелинейны. Нелинейность между током во внешней цепи и освещенностью будет тем больше, чем больше нагрузочное сопротивление, что ограничивает применение фотоэлементов для некоторых фотометрических измерений.

Частотные характеристики выражают зависимость тока в цепи фотоэлемента от частоты модуляции светового потока при постоянной освещенности и сопротивлении нагрузки . Когда на поверхность фотоэлемента падает переменный световой поток с частотой модуляции vм, то сила возникающего при этом тока Iн зависит от vм. С увеличением vм сила тока Iн уменьшается из-за инерционности фотоэлементов.

Спектральные характеристики выражают зависимость фототока на единицу падающего светового потока от длины волны падающего света. .

Для снятия характеристик фотоэлемента собирают схему (рис. 1).

При снятии вольт-амперной (нагрузочной) характеристики устанавливают определенное значение освещенности, которое измеряют люксметром, а затем измеряют величину тока Iн в цепи фотоэлемента при изменении сопротивления Rн от 0 до ¥.

Вычислив напряжение при различных значениях тока Iн строят график зависимости , по которому определяют Iк×з и , где Rг – внутреннее сопротивление фотоэлемента.

При снятии световой характеристики устанавливают определенное значение сопротивления (например, Rн = 1000 Ом), затем находят величину тока Iн в цепи фотоэлемента при изменении освещенности от 0 до максимального значения и строят график: .

 

Рис. 1. Принципиальная схема для снятия характеристик и наблюдения релаксации фототока в цепи фотоэлемента:

Д — двигатель с прерывателем света; R — реостат; О  — осветительная лампа; ЛК — люксметр; Е — фотоэлемент; мА — микроамперметр; Rн  — магазин сопротивлений (Р-33); V — вольтметр; О — осциллограф

 

При снятии частотной характеристики устанавливают определенное значение сопротивления Rн (например, Rн = 1000 Ом) и освещенности Е, находят величину тока Iн. Затем включают модулятор света и находят величину тока Iн при различных частотах прерывания светового потока. Прерыватель света представляет собой электромотор постоянного тока, на оси которого насажен дисковый обтюратор с т вырезами. За один оборот обтюратор перекрывает световой поток т раз. Число оборотов электромотора регулируется реостатом R и измеряется тахометром, при этом частота модуляции света равна  (n — число оборотов за 1 с).

При снятии спектральных характеристик используется монохроматор или набор монохроматических фильтров, а осветительной лампой служит лампа накаливания с известным распределением энергии по длинам волн.

Освещая фотоэлемент светом различной длины волны, находят зависимость фототока от длины волны . Ток измеряется микроамперметром, внутреннее сопротивление которого значительно меньше сопротивления фотоэлемента.

Для получения спектральной характеристики необходимо построить график зависимости   и на нем кривую распределения энергии по длинам волн, а затем разделить ординаты кривой  на соответствующие ординаты кривой распределения энергии . Найденные значения отношений  — спектральная характеристика фотоэлемента.

 

Рис. 2. Принципиальная схема для снятия характеристик и наблюдения релаксации фототока в цепи фотодиода

 

Для снятия характеристик фотодиода собирают схему  рис. 2. На фотодиод подается регулируемое напряжение с потенциометра R1. При снятии вольт-амперной, световой и спектральной характеристик темновой ток и ток при освещении фотодиода измеряют микроамперметром, при снятии частотной характеристики он регистрируется осциллографом. Освещенность измеряется люксметром.

В фотодиодах инерционность в фотодиодном режиме определяется временем диффузии t0 неосновных носителей к р—п-переходу

 (1) 

(при включенном свете) и

 (2) 

(при выключенном свете),

здесь Iф.ст — стационарное значение фототока при данной освещенности, а инерционность в режиме фото-э.д.с.— временем жизни τ неосновных носителей заряда

  (3)

и

 (4)

Величины t0 и τ называют постоянными времени релаксации или постоянными времени фотодиода (t0) и фотоэлемента (τ). Постоянная времени (t0 или τ) — время, в течение которого фототок в цепи фотодиода или фотоэлемента при затемнении уменьшается в е (2,7) раз. Для определения постоянной времени фотоэлемента τ и фотодиода t0 используются схемы (рис. 1 и 2).

При освещении фотоэлемента прямоугольными световыми импульсами (см. рис. 1) фототок в цепи фотоэлемента будет изменяться по законам (3) и (4). Если с нагрузочного сопротивления фотоэлемента подать напряжение на вертикальный вход осциллографа, то на экране осциллографа получится кривая релаксации фототока. Так как при затемнении фотоэлемента за время t = τ происходит уменьшение фототока приблизительно в 2,7 раза, то постоянную времени τ можно определить, исследуя спад фототока со временем на экране осциллографа при включенных метках времени.

Получив на экране осциллографа устойчивую релаксационную кривую, включают метки времени и отсчитывают число меток N, укладывающихся на участке релаксационной кривой, на котором фототок уменьшается в 2,7 раза, или на 63% от стационарного значения фототока. Тогда постоянная времени фотоэлемента τ =N τ °, где τ ° — цена деления метки времени осциллографа.

В фотодиодном режиме изменение фототока при затемнении фотодиода происходит по закону (2).

При определении постоянной времени t0 фотодиода на него подается рабочее напряжение и он освещается прямоугольными световыми импульсами. На экране осциллографа получают устойчивую релаксационную кривую, по которой определяют t0 путем подсчета числа меток N1, укладывающихся на участке релаксационной кривой, на котором фототок уменьшается в 2,7 раза (t0=N1τ°).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

 

Цель работы: снятие основных характеристик фотогальванических элементов и фотодиодов.

Приборы и принадлежности: потенциометр; микроамперметр; вольтметр (30 В); реостат; люксметр; магазин сопротивлений (РЗЗ); источник света с конденсором; модулятор света (механический прерыватель); монохроматор или набор монохроматических фильтров; осциллограф; источник постоянного тока (30 В); фотоэлементы (кремниевый, селеновый и др.); фотодиоды.

Порядок выполнения работы

 

Собрать схему (рис. 1) и для фотоэлемента снять:

вольт-амперную нагрузочную характеристику при определенном значении освещенности;

световые характеристики в режиме короткого замыкания и при различных значениях сопротивления нагрузки;

частотные характеристики при определенном значении освещенности и различных значениях сопротивления нагрузки.

Построить графики снятых характеристик:

;

;

.

Определить по вольт-амперной характеристике фотоэлемента фото-э.д.с. и ток короткого замыкания.

Для снятия характеристик фотодиода использовать схему, представленную на рис.2.

Снять спектральные характеристики для исследуемого фотодиода и фотоэлемента, определите спектральную чувствительность фотодиода и фотоэлемента.

Пронаблюдать кривые релаксации фототока при освещении фотоэлемента и фотодиода прямоугольными световыми импульсами. Оценить по кривым релаксации фототока постоянную времени τ и t0 (см. рис. 2).

 Зарисовать кривые релаксации фото-э.д.с. при большом уровне освещения.

 

Вопросы для самоконтроля

 

Каков механизм образования фото-э.д.с. при освещении р—n-перехода?

В чем отличие фотодиодного и фотогальванического режимов работы фотодиода?

Что такое инерционность фотодиодов и фотоэлементов?

Как зависит величина фототока и фото-э.д.с. от величины светового потока, падающего на фотоэлемент?

Какие основные характеристики и параметры фотоэлементов и фотодиодов?


Полупроводниковые детекторы оптического излучения