12 Фотодиод (1013248)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Краткие теоретические сведения

Фотодиод. Принцип действия фотодиода основан на фотогальваническом эффекте, который возникает в полупроводниках при воздействии на него внешнего излучения. Например, при освещении р-п перехода монохроматическим светом с энергией фотонов Е_ф >ΔЕ₃ имеет место собственное поглощение квантов света и генерируются неравновесные фотоэлектроны и фотодырки. Под действием электрического поля перехода эти фото­носители перемещаются: электроны - в n-область, а дырки - в р-об­ласть, т.е. через переход течет дрейфовый ток неравновесных носите­лей. Если цепь разомкнута концентрация электронов в п-области и дырок в р-области увеличивается, поле объемного заряда ато­мов примеси в переходе частично компенсируется и потенциальный барьер снижается. Это сниже­ние происходит на величину фотоЭДС, называемую напряжением холосто­го хода фотодиода U_ХХ. Значение U_ХХ не может превышать контактную разность потенциалов перехода, поскольку при этом полностью компен­сируется электрическое поле и разделение фотоносителей в переходе прекращается. Если р- и п-области соединить внешним проводником, то U_ХХ= 0 и в проводнике потечет ток короткого замыкания I_КЗ, образованный неравновесными фотоносителями. Если к р- и п- областям освещенного перехода подключить сопро­тивление нагрузки R_Н ≠0, по нему потечет ток нагрузки I_Н<I_кз и падение напряжения на нем будет U_Н < U_ХХ . В нагрузке будет выде­ляться электрическая мощность Р_Н =I_Н*U_Н. Такой режим работы назы­вается фотогальваническим и используется в элементах солнечных ба­тарей. Если в цепь фотодиода и R_н последовательно включен источник питания, обеспечивающий обратное смещение p-n перехода, то такой режим работы фотодиода называют фотодиодным.

Семейство вольтамперных характеристик фотодиода I =f(Ф) при Ф=const показано на рисунке 1.

Световыми характеристиками диода в фотогальваническом режиме являются зависимости тока короткого замыкания от светового пото­ка I_КЗ =f(Ф) и напряжения холостого хода от светового потока U_ХХ = f(Ф), показанные на рисунке 2. Нелинейность I_К3 = f(Ф) при увеличе­нии Ф объясняется ростом падения напряжения на объемном сопротив­лении базы фотодиода, а нелинейность U_ХХ = f(Ф) - уменьшением по­тенциального барьера при росте Ф. Точка пересечения ВАХ фотодиода и нагрузочного резистора определяет электрическую мощность Р_Н =I_Н*U_Н, вы­деляемую в нагрузку.

Параметром семейства ВАХ является световой поток Ф. При Ф₀=0 ВАХ фотодиода не отличается от ВАХ обычного полупроводникового диода. При Ф>0 на ВАХ фотодиода можно выделить две области, соот­ветствующие разным режимам работы фотодиода:

III квадрант - фотодиодный режим;

IV квадрант- - фотогальванический режим.

Рисунок 1. Семейство вольтамперных характеристик
освещенного фотодиода.

Рисунок 2. Зависимости тока короткого замыкания I_кз , напряжения холостого хода U_хх и фототока I_ф от мощности светового потока Ф.

В фотодиодном режиме фототок прямо пропорционален падающему световому потоку, и световая (энергетическая) характеристика
I_ф =f(Ф) практически линейна (рисунок 2). Инерционность фотодиода определяется, прежде всего, скоростью процесса разделения носителей в р-п-переходе и скоростью перезаря­да барьерной емкости. Наименее инерционны фотодиоды с точечным пе­реходом или с барьером Шотки.

Описание лабораторной установки

Основой лабораторной установки является серийный прибор CHARACTERISCOPE-Z (тип ТР-4805), позволяющий снимать семейство вольтамперных характеристик (ВАХ) при различных величинах светового потока.

На основе этих характеристик можно определить следующие параметры фотодиода:

• световую (энергетическую) характеристику в фотодиодном режиме;

• токовую чувствительность в фотодиодном режиме; зависимость тока короткого замыкания от светового потока в фотогальваническом режиме; зависимость напряжения холостого хода от светового потока в фотогальваническом режиме; оптимальное сопротивление нагрузки в фотогальваническом режиме; максимальную мощность, отдаваемую в нагруз­ку в фотогальваническом режиме.

Конструктивно фотодиод выполнен вместе со светоизлучателем в одном непрозрачном корпусе. В качестве светоизлучателя используется светодиод. К внешним электрическим цепям фотодиод и светоизлучатель подключаются тремя проводниками (один является выводом светодиода, второй – фотодиода, третий - общий).

Порядок проведения работы

Для исследования фотодиода необходимо собрать электрическую схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема подключения фотодиода и светодиода
к характериоскопу.

1. На приборе CHARACTERISCOPE установите ручки управления в сле­дующие положения:

• тумблер "OFF" в нейтральное положение;

• переключатель "НОR .VOLTS"в положение 0,1 В;

• переключатель "VERT. CURRENT "в положение (50 –100) мкА;

• - переключатель "BASE STEPS" в положение "6";

• тумблер "STEP POL" в положение ''+";

• кнопка "ONE CURVE" отжата;

• переключатель "STEP AMPLITUDE" в положение (5-10) мА.

2. Включите питание прибора ручкой "SCALE ILLUM" и установите удобный уровень освещенности шкалы. Время прогрева прибора не менее 5 минут.

3. После прогрева прибора (появление луча на экране) ручками "VERT.POS" и "HOR.POS" установите удобное положение начала координат ВАХ на экране прибора.

4. Тумблером "OFF" подключите фотодиод и светоизлучатель
к прибору.

5. Переключателями "VERT. CURRENT" и "STEP AMPLITUDE" установите удобный масштаб ВАХ по вертикали, соответствующий максимальному использованию экрана характериокопа. Ручкой "OFFSET” отрегулируйте положение начала координат для кривой семейства, соответствующей нулевому­ световому потоку Ф = 0 (до момента остановки).

6. Для регистрации прямых ветвей семейства ВАХ фотодиода пере­ключатель "COLLECTOR SUPPLY" установите в положение "-AC", для ре­гистрации обратных ветвей семейства - в положение "+AC".

Значения тока через светоизлучатель I₀ будут задаваться с ша­гом, соответствующим положению переключателя "STEP AMPLITUDE”.

Световой поток светоизлучателя определяется по формуле:

Ф = кI₀ ,

где к=100лм/мА; I₀ – ток через светоизлучаталь (светодиод).

7. Снимите семейство ВАХ фотодиода при Ф =const, сопрягая прямые и обратные ветви семейства, соответствующие одинаковым­ значениям светового потока Ф (см. рисунок 1.).

На семействе ВАХ фотодиодному режиму работы фотодиода соот­ветствует область "обратное напряжение - обратный ток" (Ш квад­рант).

8. Для фотодиодного режима выберите значения напряжения U_ОБР1 и графически постройте световую характеристику фотодиода I_ф =f(Ф) при U_ОБР = U_ОБР1 (см. рисунок 2) , где I_ф - фототок через фотодиод, совпадающий по на­правлению с I_ОБР (см. рисунок 1).

9. Для выбранной рабочей точки на световой характеристике
рассчитайте токовую чувствительность фотодиода S=ΔI_ф/ΔФ, (мкА/лм).

На семействе ВАХ фотогальваническому режиму работы фотодиода соответствует область "прямое напряжение - обратный ток" (IV квад­рант).

10. Для фотогальванического режима по ВАХ графически измерьте значения тока короткого замыкания в напряжения холостого хода фотодиода для различных значений светового потока и постройте графики I_КЗ= f(Ф) и U_ХХ = f(Ф) (см. рис. 2).

11. Для кривой семейства ВАХ, соответствующей максимальному световому потоку, рассчитайте положение оптимальной рабочей точки фотодиода. Критерием оптимальности является максимальная мощность, отдаваемая фотодиодом в нагрузку в фотогальваническом режиме. Для этого, перемещая положение точки А по ВАХ, соответствующей максимальной освещенности фотодиода (на рисунке 1 это соответствует
Ф = Ф4) и рассчитывая в каждой точке значения мощности Р= U_{ОБР *} I_ОБР, найдите максимальную мощность Р_макс, отдаваемую фотодиодом в нагрузку.

12. Для оптимальной рабочей точки рассчитайте оптимальное со­противление нагрузки R_{Н ОПТ}. Рассчитайте по ВАХ сопротивление

R = U_ХХ / I_КЗ и сравните его с R _{Н ОПТ} .

ОТЧЕТ

по лабораторной работе студент:

группа:

дата:

тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОДИОДОВ

1. Схема эксперимента.

1. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода.

1. Зависимости фототока I_ф, тока короткого замыкания I_кз и напряжения холостого хода U_хх от величины светового потока.

Токовая чувствительность фотодиода S=ΔI_ф/ΔФ=

1. Параметры оптимальной рабочей точки на ВАХ фотодиода.

Напряжение U_н=

Ток I_н=

Мощность P_н=U_н*I_н=

Сопротивление R_{н опт}=U_н/I_н=

Сравнение с R=U_хх/I_кз=

8

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы