Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву

Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

Главная Избранные Случайная статья Познавательные Новые добавления Обратная связь FAQ

Кафедра Полупроводниковой электроники

Стр 1 из 20Следующая ⇒

МИРОШНИКОВА И.Н.

Кафедра Полупроводниковой электроники

Описание лабораторных работ

по дисциплине

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Часть I

МОСКВА 2018 НИУ «МЭИ»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 3

Лабораторная работа № 1. 17

Лабораторная работа № 2. 28

Лабораторная работа № 3. 40

Лабораторная работа № 4. 54

Лабораторная работа № 5. 64

Приложение 1. 70

Приложение 2. 71

Введение

Оптоэлектроника – раздел науки и техники, который занимается переносом, обработкой, запоминанием и хранением информации на основе оптических и электрических методов и средств.

В настоящее время в оптоэлектронике независимо развиваются два направления: оптическое и электронно-оптическое

Оптическое направлениебазируется на взаимодействии твердого тела с электро-магнитным излучением, в частности на источниках когерентного излучения, областями приложения которого является оптическая память предельно высокой емкости, устройства распознавания образов, управляемые функциональные оптические среды.

В основе электронно-оптического направление лежит принцип фотоэлектрического преобразования и электролюминесценции. Суть направления состоит в замене гальванических и магнитных связей в электрических цепях на оптические. Наличие фотонной связи позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищённость и степень минимизации схемных решений.

Любой оптоэлектронный прибор – часть системы излучатель – передающая среда – фотоприемник (ФП). ФП представляют собой приборы, в которых оптическая (световая) энергия преобразуется в электрическую. Существуют следующие разновидности ФП: фотодиоды (в том числе лавинные, pin), солнечные батареи, фототранзисторы, фоторезисторы и фототиристоры и т.д.

ЭЛЕКТРО-МАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения

Спектр электромагнитного излучения разделяют на (рисунок 1) γ-излучение (~0,01 нм), рентгеновское излучение (0,1-10 нм), ультрофиолетовое (УФ) (5∙10^-3- 0,38 мкм), видимое (0,38-0,78 мкм), инфракрасное (ИК) излучение (0,78 - 1000 мкм) и радиоизлучение (> 1000 мкм). Однако большинство оптоэлектронных приборов работают в значительно более узком интервале длин волн 0,2 – 10 мкм. Длина волны λ и частота ν электромагнитного излучения связана известным соотношением: , где с – скорость света. Для всех этих диапазонов скорость света постоянна, сохраняются законы отражения, преломления, дифракции и поляризации.

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФОТОМЕТРИИ.

ОСНОВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ

Исторически сложилось так, что за фотометрические единицы принимались такие характеристики излучения, которые связаны с его воздействием на глаз человека. Однако часто для описания свойств излучения и его взаимодействия с веществом пользуются энергетическими единицами. Таким образом, в оптоэлектронике пользуются двумя системами единиц: фотометрической и энергетической. В табл. 1 приведены основные энергетические и соответствующие им фотометрические единицы.

Ф_э – поток излучения [Вт] – мера интенсивности оптического излучения, определяется как энергия, излучаемая, переносимая или поглощаемая в единицу времени; А – эффективная площадь источника излучения (ФП); Θ – телесный угол излучения. В литературе широко используется внесистемный термин – интенсивность излучения (I - intensity). Английскому «intensity» соответствует русское “сила света”, и это понятие относится к характеристике излучателя. Однако этот термин часто применяют и к излучению, падающему на поверхность ФП. Поэтому единицами измерения могут быть Вт/(ср∙м²) (это совпадает с единицей яркости) или Вт/см² (и тогда это соответствует единице светимости или освещенности). Между величинами, приведенными в таблице 1.1, существует строгая связь.

Сила излучения (сила света) в данном направлении определяется отношением величины потока излучения к величине телесного угла, в котором данный поток распространяется. Если источник излучает во все стороны равномерно, то полный поток Ф=4 . В том случае, когда Ф=4 (Вт или лм), источник имеет единичную силу света 1 Вт/ср или 1 лм/ср=1 кд.

Энергетическая яркость (излучательная способность) [Вт/(м² ср), (лм/ср)] характеризует мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности в единичном телесном угле в направлении, перпендикулярном излучательной поверхности. Кроме энергетической яркости вводится понятие фотометрической яркости, или просто яркости. Фотометрическая яркость служит для оценки эффективности воздействия света на глаз человека. Переход от энергетических величин к фотометрическим осуществляется через коэффициент (λ).

Таблица 1

ПАРАМЕТРЫ ФОТОПРИЕМНИКОВ

К основным параметрам и характеристикам фотоприемников (ФП) можно отнести следующие.

Чувствительность ФП (чувствительность к потоку излучения) S – отношение изменения электрической величины на выходе ФП, вызванной падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной.

Выделяют интегральную чувствительность (S_инт) ФП, т.е. чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава и монохроматическую чувствительность, т.е. чувствительность к монохроматическому излучению.

В зависимости от того, какой сигнал фиксируют на выходе ФП – напряжение или ток, используется понятие вольтовой (В×Вт^-1, В×лм^-1) или токовой чувствительности (А·Вт^-1, А·лм^-1):

; (7)

где U _с (I_с) – среднеквадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала, – действующее значение потока излучения, Вт (лм).

Токовая (вольтовая) чувствительность в максимуме спектральной чувствительности S_l _max может быть определена по формуле:

(8)

где К _u – коэффициент использования излучения:

, (9)

где R_l – спектральная плотность потока излучения, Вт/(мкм×см²); – значение относительной чувствительности спектральной характеристики фотоприемника на длине волны l.

Чувствительность не дает представления о минимальной величине обнаруживаемого потока лучистой энергии. Для определения этой величины необходимо знать значение величины шума на выходе приемника.

Для ИК систем важнейшим параметром, определяющим выбор ФП, является удельная обнаружительная способность фотоприемника D * (Вт^-1×Гц^1/2×см) или (лм^-1×Гц^1/2×см), рассчитываемая по формуле:

(10)

где U _ш (I _ш)- среднеквадратическое значение напряжения (тока) шума, А_эфф – эффективная площадь ФП, f – эквивалентная полоса пропускания усилительного устройства.

Обнаружительную способность можно увеличить, ограничивая угол поля зрения (апертуру) ФП с помощью охлаждаемых диафрагм (рис. 5, 6).

Альтернативным параметром, является уд ельный порог чувствительности – величина, обратная удельной обнаружительной способности:

(11)


Рис. 5. Сопротивление из InSb. 1 – коваровый переход с фланцем для припаивания провода: 2 – кристалл InSb; 3 – кварцевое окно; 4 – охлаждаемая диафрагма	Рис. 6. Зависимость обнаружительной способности приемника на основе InSb от апертурного угла Θ.

Темновое сопротивление R _т – сопротивление ФП в отсутствие падающего на него излучения.

Спектральной характеристикой ФП является зависимость относительной чувствительности от длины волны при постоянной плотности излучения в единичном интервале длин волн. В связи с особой важностью этой характеристики мы ей будем уделять в дальнейшем особое внимание.

Коротковолновая (длинноволновая) граница спектральной чувствительности наименьшая (наибольшая) длина волны монохроматического излучения, при котором монохроматическая чувствительность ФП равна 0,1 ее максимального значения.

Идеальным фотонным (квантовым) приемником можно назвать такой ФП излучения, который на каждый падающий на него квант реагирует прохождением в электрической цепи одного электрона и не имеет собственных темнового тока и шумов. Спектральная характеристика квантового выхода (т. е. отношения потока фотоэлектронов на выходе к потоку поглощенных квантов: ) такого приемника представлена на рисунке 7 (кривая 1). Спектральная зависимость квантового выхода различных реальных фотоприемников представлена на рисунке 8.

Длинноволновая граница спектральной чувствительности ограничивается энергией активации, например, шириной запрещенной зоны полупроводника . Откуда или . Токовая чувствительность идеального фотонного приемника (с квантовым выходом равным единице и без усиления) на любой длине волны при равна .

Рис. 8. Спектральная зависимость квантового выхода различных фотоприемников

Рис. 7. Спектральные зависимости квантового выхода

(1) и токовой чувствительности

(2) идеального квантового фотоприемника с граничной длиной волны

Рис. 9. Спектральные характеристики идеального (сплошная линия) и реального ФП (пунктир)

Спектральная зависимость токовой чувствительности идеального квантового фотоприемника также приведены на рисунке 8 – кривая 2.

Идеальные тепловые ФП, преобразующие в выходные ток или напряжение мощность падающего на них излучения, обладают не зависящей от длины волны чувствительностью.

На параметры реальных оптоэлектронных приборов (как ФП, так и излучателей) влияют следующие характеристики полупроводниковых материалов: коэффициент поглощения [см^-1] и коэффициент отражения R().

Интенсивность света внутри твердого тела уменьшается по закону Бугера-Ламберта:

, (12)

где I _о –излучение, падающее на поверхность ФП, х – глубина проникновения излучения. Коэффициент поглощения – отношение поглощенного потока излучения к падающему. Принято считать, что излучение поглощается на глубине, когда . В этом случае . Спектральная зависимость является одной из основных характеристик материала, она определяет спектральную характеристику чувствительности ФП и в первую очередь зависит от температуры детектора (см. Приложение 1). В зависимости от длины волны (значения ) излучение будет поглощаться на разной глубине. В связи с этим у реальных ФП (рис. 9) в коротковолновой области наблюдается завал чувствительности, определяемый скоростью поверхностной рекомбинации. В длинноволновой области может наблюдаться чувствительность, определяемая примесной проводимостью, «хвостами» плотности состояний зоны проводимости и валентной зоны Урбаха или поглощением свободными носителями заряда.

R() – коэффициент отражения, равный отношению отраженного потока излучения к падающему. Коэффициент отражения – комплексная величина, зависящая от параметров обоих сред, угла падения и длины волны падающего излучения. Отражение является не только причиной уменьшения эффективности полупроводниковых ФП (для большинства полупроводников R =36%), но и одной из причин зависимости их чувствительности от длины волны излучения.

В связи с тем, что в усилительных устройствах и в устройствах фильтрации сигнала проще работать с переменным сигналом, чаще всего падающее излучение модулируют, то есть прерывают его механически по какому-либо гармоническому закону (обычно закон прерывания либо синусоидальный, либо меандр). Возможная частота прерывания определяется частотными или инерционными характеристиками ФП, определяющими зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Эти характеристики определяют быстродействие ФП, которое особенно актуально при выборе передатчика в волоконно-оптических линиях связи.

Шумы фотоприемников

Как следует из выражения (8), основной параметр фотоприемника связан со среднеквадратическим (действующим) значением напряжения (тока) шума. Шумом принято называть самопроизвольные флуктуации напряжения или тока на выходных клеммах прибора. Флуктуационные явления (шум) в полупроводниковых приборах обусловлены случайным характером происходящих в них физических процессов, имеющих различные постоянные времени.

Вследствие случайной природы шумов напряжение (ток) шума флуктуирует относительно среднего значения. Поэтому для характеристики шумов используют среднеквадратичную величину флуктуаций за время t>>T (периода) флуктуаций:

, (13)

где – величина тока (напряжения) в момент t, – средний квадрат флуктуаций тока (напряжения) или дисперсия, – среднеквадратичное значение тока (напряжения) шума. Таким образом, средний квадрат и среднеквадратичное значение шума всегда положительны.

Шум фотоприемников (напряжение или ток) измеряют, используя либо узкополосные усилители с полосой пропускания , либо метод дискретных измерений шумового аналогового сигнала с последующей математической обработкой по алгоритму преобразования Фурье для получения частотного спектра мощности шума. Зависимость квадрата напряжения (тока) шума от частоты называют также спектральной плотностью мощности шума (СПМШ). Выделяют СПМШ для токов и напряжений:

, (14)

где – среднеквадратичное значение тока шума; – среднеквадратичное значение напряжения шума. На рисунке 10. приведена структура условной частотной характеристики шума.

В низкочастотной области шумы определяются процессами флуктуации проводимости образца за счет флуктуации числа носителей и/или их подвижности. Это – тепловой шум или шум Джонсона- Найквиста (Johnson - Nyquist). Случайные изменения темпа тепловой генерации и рекомбинации, а также скорости свободных носителей заряда, приводят к флуктуациям их локальной плотности и дрейфовой подвижности, в результате чего появляются случайные микроскопические диффузионные токи.

Рис. 10. Структура спектра плотности мощности шума фотоприемника

Поэтому в системе, содержащей свободные носители заряда, существует флуктуирующий ток, равный сумме таких микротоков, а на электрических контактах возникает флуктуирующее напряжение.

Вследствие того, что средний квадрат скорости электронов пропорционален абсолютной температуре, спектр плотности тока этого шума можно определить по формуле Найквиста:

, (15)

где k – постоянная Больцмана, Т_d – рабочая температура объекта, К; R – электрическое сопротивление. Спектр плотности дисперсии напряжения такого шума можно рассчитать по формуле:

(16)

Таким образом, мы имеем спектр плотности мощности шума (СПМШ), независящий от частоты, другими словами, тепловой шум является “белым” шумом.

Шум типа или фликкер-шум наблюдался впервые Дж.Б.Джонсоном (Johnson J.B.) в 1924 г. и называется так в силу обратной зависимости шума от частоты:

, (17)

где – нагрузочный ток через фотоприемник.

Анализируя формулу (17) и рисунок 9, следует указать четыре параметра, которые позволяют сравнивать шум различных фотоприемников. Это значение нагрузочного тока, параметра A, показателя степени a и частоты перехода шума в “белый” шум. В литературе приводятся данные, что A варьируется от 2·10^-6 до 5·10^-2; значение – от 0,5 до 3. Природа этого шума до сих пор не ясна, но его наличиевсегда нежелательно.

Проблемой природы шумов типа в структурах занимались многие исследователи, уже к началу 60-х годов существовали несколько теорий этого шума. Общепринятыми являются четыре: контактная теория; теория модуляции проводимости полупроводника; теория флуктуации концентрации носителей, связанная в первую очередь с именем Мак-Уортера (Mc-Whorter A.L.) и теория флуктуации подвижности носителей, связанная с именем Хоухе (Hooge F.N.).

Модель, предложенная Мак-Уортером, объясняет шум флуктуациями числа носителей заряда в результате захвата части носителей «глубоко лежащими ловушками», которые могут находиться в слое над поверхностью полупроводника.

Альтернативная модель Хоухе не связана с поверхностными явлениями, а определяется только рассеянием носителей на акустических фононах. Хоухе предложил эмпирически полученную формулу:

, (18)

где N=V· n – число носителей заряда, V – объем исследуемого образца; n – концентрация носителей; – постоянная Хоухе. Из (16) следует, что шум типа должен особенно сильно проявляется у малоразмерных образцов, что в какой-то степени справедливо для структур, не относящихся к наноразмерным. В современных полупроводниковых структурах, имеющие размеры, измеряемые нанометрами в силу совершенства технологии (отсутствия ловушек захвата) шум типа может вообще отсутствовать.

Часто в среднем диапазоне частот усилительного устройства можно выделить участок «белого» шума, где не зависит от частоты. Это – генерационно-рекомбинационный шум (ГРШ). Он возникает вследствие флуктуации скорости генерации и рекомбинации носителей.

При возбуждении избыточных носителей в полупроводнике случайный характер электронных переходов между зонами, либо между зонами и локальными энергетическими уровнями, обусловленный статистической природой процессов генерации, рекомбинации и прилипания носителей тока, вызывает генерационно-рекомбинационный шум. В этих случаях наблюдаются флуктуации проводимости полупроводника.

Спектральная плотность флуктуации тока шума фоторезистора с концентрацией носителей близкой к собственной можно записать в виде:

, (19)

где – концентрации электронов и дырок в образце, см^-3; величина характеризует инерционность фотоприемника и связана с временем жизни носителей в полупроводниковом элементе, – циклическая частота на резонансной частоте измерения излучения (шума) f. Этот результат впервые получен Херцогом (Herzog) и Ван дер Зилом (van der Ziel).

Тогда спектральная плотность флуктуации напряжения шума:

, (20)

– один из основных параметров ФП, он зависит от многих факторов, таких как механизм поглощения носителей, скорость поверхностной рекомбинации, скорость оптической и термической генераций и, наконец, концентрации самих носителей, и определяют частотный (инерционные) свойства фоторезисторов.

При использовании ФП на основе узкозонных полупроводников необходимо учитывать, что концентрация носителей зависит от оптической генерации за счет фотонов, падающих на фоточувствительный элемент (ФЧЭ) от окружающий его среды (фона). Это фоновое излучение не только снижает чувствительность, о чем будет сказано в лабораторной работе №5, но и является причиной возникновения шума ФП, что приводит к еще большему уменьшению D * ФП (см. выражение (11)).

Для ФП, работающих в ИК области, влияние фона неустранимо, поэтому характеристики, ограниченные фоном (ОФ) или BLIP (от англ. background limited infrared photodetector), являются предельными.

У фотодиодов в спектре плотности мощности шума место ГРШ занимает д робовой шум. Шоттки (Schottky W.) в 1918 г. указал на эффект в вакуумной трубке, в которой электронный поток вызывает шум, связанный со случайными флуктуациями в сборе электронов коллекторным электродом, он сравнивал его с шумом от дробинок, падающих на мишень, откуда шум и взял свое название. Этот шум наблюдается в приборах, имеющих какие-либо потенциальные барьеры: металл-полупроводник (фотодиод Шоттки), p–n -переход (фотодиод) в результате флуктуаций тока, проходящего через этот барьер. При этом флуктуируют все составляющие тока. Поскольку эти величины независимы, то квадрат шумового тока может быть представлен формулой Шоттки:

, (21)

где q – заряд электрона; I_S – ток насыщения, определяемый состоянием фоточувствительного элемента при термодинамическом равновесии; I_G – ток генерации носителей заряда в области пространственного заряда; I_Ф – фоновый ток; I_t – туннельный ток.

Значение фонового тока можно определить как фототок при заданной температуре фона. В случае, когда фотодиод работает в режиме ОФ, I_Ф в формуле (19) становится много больше остальных токов и дробовой шум ФП определяется выражением:

, (22)

Случайный характер потоков генерации и рекомбинации приводит к флуктуациям заселенности центров, расположенных в ОПЗ фотодиода, а значит к флуктуациям полного заряда в ОПЗ. Вследствие этого может наблюдаться изменение ширины и высоты потенциального барьера, что в свою очередь вызывает модуляцию протекающих токов и появление избыточного тока, который можно назвать модуляционным.

Кроме p – n -перехода, в ФД возможно возникновение потенциальных барьеров в приконтактных областях. Такие барьеры также приводят к появлению шума типа .

Лабораторная работа № 1

Введение

Электролюминесцентные источники света в настоящее время являются наиболее перспективными для применения в оптоэлектронике. К ним относятся полупроводниковые светодиоды и приборы на основе порошковых и пленочных люминофоров. Излучение в люминофорах возникает в сильных электрических полях, близких к тем, в которых происходит электрический пробой. Поэтому электролюминесценцию такого вида называют предпробойной.

Значительная интенсивность излучения в случае предпробойной электролюминесценции наблюдается в полупроводниковых соединениях A^IIB^VI. Среди них наиболее изучен сульфид цинка ZnS, легированный различными примесями: Mn, Al, Сl, Ag, Cl, Сu. В зависимости от примесей положение максимума полосы излучения ZnS меняется от 450 до 600 нм. Источники света, изготовленные на основе легированного ZnS, получили название электролюминесцентных конденсаторов (ЭЛК). Конструктивно они выполняются в виде двух проводящих обкладок, пространство между которыми заполнено люминофором.

Рис. 1.3. Электронные переходы для двух механизмов возбуждения кристалла

а – туннельный механизм, б – ударный механизм

1. – переходы с мелких уровней примеси или ловушек; 2 - переходы с глубоких центров;

3 – ионизация атомов основного вещества; 4 – переходы «горячих» электронов металла

При этом связь между током и напряженностью электрического поля в потенциальном барьере в случае туннельных переходов записывается в виде

, (1.1)

где с ₁и с ₂ – постоянные; – значение напряженности электрического поля.

Соотношение между и напряжением на потенциальном барьере и ₀зависит от типа барьера. Для барьера с линейным изменением (барьер Шоттки, резкий р – n -переход) эта зависимость выражается в виде .

Теория ударной ионизации развивалась в первую очередь в связи с изучением электрического пробоя полупроводников. Умножение фототока наблюдалось в Ge, Si, SiС, GaAs, ZnS и др. Ударная ионизация требует меньших полей, чем туннельная ионизация. Она характерна для структур с низким уровнем легирования и широкой областью приложения сильных электрических полей, что характерно для ЭЛК.

Для количественного описания процессов при ударной ионизации в твердых телах используются те же характеристики, которые применяются в газовом разряде: коэффициент умножения М, определяемый как отношение числа выходящих из области сильного поля электронов n к числу входящих n ₀ и коэффициент ионизации () (коэффициент Таунсенда), равный числу ионизаций (электронно-дырочных пар), созданных одним носителем при его движении на пути в 1 см в поле. В общем случае, ионизация может быть вызвана и ускоренными дырками, которым соответствует коэффициент ионизации (). Даже если в область сильного поля вводятся только электроны, то после первых же ионизаций возникнут дырки, которые также проведут ионизацию. Кроме того, величина М будет зависеть от ширины области сильного поля W. Коэффициенты умножения и зависят от напряженности поля (рисунок 1.4).

Рис. 1.4. Зависимость коэффициентов ионизации для различных полупроводников

Скорость генерации электронно-дырочных пар вследствие ударной ионизации . Рассмотрим область сильного поля шириной W в объеме кристалла, где происходит ударная ионизация. Если = = α, и в области шириной W присутствует однородное поле, то число ионизаций , тогда .

Вид кривой зависимости зависит от того, каким путем носители приобретают энергию в электрическом поле. Возможны два крайних случая: частица получает энергию, необходимую для ионизации атомов решетки, пройдя случайно большой путь (теория Таунсенда в связи с явлениями в газовом разряде, использована Чуенковым и Шокли для описания ионизации в твердом теле) и постепенный набор энергии после многих столкновений частиц с фононами (диффузионный механизм, рассмотренный Вольфом, Чуенковым, Келдышем и др.).

Существует несколько приближений для расчета коэффициентов умножения. Вольф получил следующую аппроксимацию, справедливую для газового разряда: , где , – напряженность электрического поля, – средняя длина свободного пробега электрона, – энергия оптических фононов, – энергия, соответствующая точке пересечения решений для областей высоких и низких энергий (ее часто принимают за энергию ионизации). Критерием перехода от слабых полей к сильным является неравенство , где е – заряд электрона,. Отношение может меняться в интервале от 1,5 до 10.

В общем случае, для лавинного размножения носителей вследствие ударной ионизации в барьере коэффициент ионизации и ток записываются как

, (1.2)

где с₁ и с₂ – постоянные; i _обр – начальный обратный ток барьера. Показатель п зависит от величины электрического поля и температуры и находится в пределах 3–6.

Внешнее напряжение и, приложенное к кристаллиту люминофора, не равно в общем случае напряжению и ₀, которое приходится на ту область кристаллита, где происходит возбуждение свечения. Так как скорость ионизации в зерне определяется величиной и ₀,то существенной оказывается связь между и и и ₀.Для кристаллита с одним барьером и сопротивлением R остальной его части можно записать

(1.3)

При этом сопротивление R и величина М, а значит, и ток зависят от приложенного напряжения. Поэтому функциональная связь между напряжением и током отдельного кристалла люминофора, а значит, и всего ЭЛК в целом оказывается очень сложной. Действительно, анализ показывает, что в случае лавинного размножения носителей заряда связь между током и напряженностью электрического поля в области возбуждения записывается в виде

(1.4)

где W – ширина области сильного поля; Е ₀ – энергия ионизации. Выражение (1.4) выведено с учетом того, что лишь электроны принимают участие в ударной ионизации.

Обратный ток потенциального барьера i_s записывается следующим образом:

(1.5)

где – тепловая скорость носителей заряда; п ₀ – равновесная концентрация носителей заряда; – высота потенциального барьера, k – постоянная Больцмана.

Задание

1. Снять и построить ВАХ ЭЛК (частота сигнала 1800 Гц, напряжение изменять в пределах 0 – 100 В). Определить z _кконденсатора.

2. Снять и построить ВЯХ ЭЛК.

3. Снять передаточную характеристику оптрона. Рассчитать и построить коэффициент передачи преобразователя в зависимости от яркости излучения светодиода.

4. Рассчитать параметры элементов оптрона z _к, β, L ₀, с.

ЛИТЕРАТУРА

1. Zalm P., Diemer G., Klasens H.A. – Phil. Res. Repts., 1954, V. 9, P.81.

2. Носов Ю. Р., Сидоров А. С. Оптроны и их применение. М.: Радио и связь, 1981: 280 с.

3. Верещагин И. К. Электролюминесценция кристаллов.М.: Наука, 1974. 279 с.

4. Мухин Ю. А. Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники: Учеб. пособие.; под ред. В.Н. Бодрова, Г.И. Обидина. – М.: Изд-во МЭИ, 1996. – 298 с.

5. Мухин Ю. А. Полупроводниковые источники и приемники излучения, оптроны и элементы интегральной оптики./ Под ред. К.В. Шалимовой. – М.: Изд-во МЭИ, 1991. – 120 с.

Лабораторная работа № 2

Введение

Известно несколько способов возбуждения люминесценции в полупроводниках: фото- и катодовозбуждение (при облучении коротковолновым излучением или пучком быстрых электронов) и электровозбуждение. Электровозбуждение можно реализовать двумя методами – с помощью ионизации полупроводника в сильном электрическом поле, близким по величине к пробивному, или инжекции в структуре с р – n -переходом.

Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор с гомо- или гетеро- p – n -переходом, вблизи и внутри которого возникает свечение при включении прибора в прямом направлении и инжекции носителей заряда.


Рис. 2.1. Спектры излучения некоторых светодиодов	Рис. 2.2. Зависимость ширины запрещенной зоны от содержания фосфора в твердом растворе

Светодиоды обладают рядом достоинств по сравнению с другими источниками света. Спектр излучения различных светодиодов перекрывает весь видимый диапазон и ближнюю инфракрасную область спектра (рисунок 2.1), а малая ширина спектральной полосы излучения дает возможность получить его высокую интенсивность при малой мощности возбуждения, т. е. высокий КПД. По своей природе излучение светодиодов спонтанное,излучается цуг волн длительностью (время когерентности) с длиной когерентности , являющийся отрезком синусоиды частоты ν. Такая электромагнитная волна не является монохроматической.