PRACOWNIA PRZETWORNIKÓW FOTOELEKTRYCZNYCH

1
II PRACOWNIA II
Ćwiczenie V. Dioda elektroluminescencyjna i laser półprzewodnikowy.
Cel ćwiczenia : Pomiar charakterystyk fotoelektrycznych diod elektroluminescencyjnych
LED. Modulacja lasera półprzewodnikowego.
Opis stanowiska :
Monochromator siatkowy o zakresie spektralnym 0.8 m do 1.8 m
Dioda elektroluminescencyjna InGaAsP max = 1.3 m
Diody LED na zakres widzialny
Laser półprzewodnikowy max = 1.53 m
Światłowód
Fotodiody germanowe
Woltomierze: METEX i cyfrowy V544
Amperomierz METEX
Skrzynka pomiarowa
Oscyloskop
2
Przebieg ćwiczenia :
I. Badanie diod elektroluminescencyjnych.
1.Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej diod LED świecących w zakresie widzialnym
a) Połączyć układ pomiarowy wg. schematu przedstawionego na rys.1.(Na schemacie nie
zaznaczono, że woltomierz i amperomierz są podłączone do komputera i pomiary
można wykonać przy użyciu programu komputerowego).
b) Zmierzyć charakterystykę prądowo-napięciową diod LED w zakresie :
- dla polaryzacji zaporowej : dla napięć U  4V;
- dla polaryzacji w kierunku przewodzenia : dla prądu I  25 mA)
Zaobserwować dla jakiej polaryzacji dioda zaczyna świecić.
Rys.1
2. Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej diody na podczerwień.
Wykonać pomiary charakterystyki prądowo-napięciowej diody podczerwonej w zakresie :
- dla polaryzacji zaporowej : dla napięć U  1 V;
- dla polaryzacji w kierunku przewodzenia : dla prądów I  2mA.
3. Pomiar charakterystyki spektralnej diody podczerwonej.
a) Połączyć układ pomiarowy wg schematu przedstawionego na rys.2.
Zmierzyć charakterystykę spektralną diody podczerwonej, tzn. zmierzyć zależność
napięcia na fotodiodzie w funkcji długości fali. Pomiary wykonać w następujący sposób:
ustawić długość fali przy której napięcie na fotodiodzie jest największe. Odczytać tę
długość fali max. Zmieniając długość fali w stronę fal krótszych , znaleźć taką długość fali
1, przy której napięcie na fotodiodzie spadnie do 10% wartości maksymalnej. Podzielić
3
zakres długości fal max -1 na 8 części i dla każdej wartości  zmierzyć napięcie na
fotodiodzie. W ten sam sposób powtórzyć pomiary zmieniając długość fali w stronę fal
dłuższych.
b) Dla długości fali odpowiadającej maksimum zdolności emisyjnej badanej diody LED
zmierzyć zależność napięcia fotodiody w funkcji prądu płynącego przez diodę LED. Nie
przekraczać wartości prądu 2 mA.
Opracowanie wyników.
1.
Narysować charakterystyki prądowo-napięciowe dla mierzonych diod LED na zakres
widzialny.
- Wyznaczyć wysokość bariery w złączu p-n z przecięcia prostej, stanowiącej
przedłużenie prostej najlepiej dopasowanej do charakterystyki w zakresie dużych
napięć, z osią napięcia.
- Wyznaczyć oporność szeregową i współczynnik idealności złącza (wzory (2) lub (2a)
i (3).
2. Narysować charakterystyki prądowo-napięciowe dla diody podczerwonej. Wyznaczyć
wysokość bariery, oporność szeregową i współczynnik idealności w złączu p-n.
3. Narysować
charakterystykę
spektralną
diody
podczerwonej.
Na
podstawie
tej
charakterystyki :
- określić wartość energii wzbronionej półprzewodnika z którego wykonano badaną
diodę (Eg=hc/). Porównać z wartością oszacowaną na podstawie pomiaru
charakterystyki I-V.
- wyznaczyć
szerokość
połówkową
spektrum
diody;
katalogowymi.
4. Narysować zależność napięcia fotodiody od prądu diody LED.
5. We wnioskach uzasadnić otrzymane wyniki.
porównać
z
danymi
4
II. Laser półprzewodnikowy.
1.Modulacja lasera półprzewodnikowego
a) Połączyć układ pomiarowy wg schematu przedstawionego na rys.3.
b) Zaobserwować zmiany napięcia na wyjściu fotodiody oświetlanej laserem
półprzewodnikowym :
- w funkcji napięcia modulującego
-
w funkcji częstotliwości modulacji lasera.
c) Oszacować rozbieżność wiązki laserowej, zmieniając kąt ustawienia lasera względem
detektora.
h
Laser
Detektor Ge
Oscyloskop
Rys.3
Wzory do sprawozdania
Wyznaczenie oporności szeregowej złącza półprzewodnikowego i współczynnika idealności.
Obwód zastępczy dla rzeczywistego złącza p-n z opornością szeregową przedstawia rys. 4:
VD
Rys.4
V  V D  IR S
5
Prąd płynący przez złącze :
I  I o [exp
q(V  IRS )
 1]
nkT
(1)
gdzie n-współczynnik idealności złącza, Io prąd nasycenia.
Współczynnik n obliczamy korzystając z wykresu lnI=f(V) (dla V>3kT/q):
n
q
d ln I
kT
dV
(2)
lub jeśli rysujemy wykres logI=f(V):
n
q
d log I
2.3
kT
dV
(2a)
Oporność szeregową obliczamy korzystając z wykresu lnI=f(V) lub logI=f(V dla dużych
napięć w kierunku przewodzenia. Z odchylenia tego wykresu od linii prostej dla dużego prądu
I mamy (patrz rys.5) :
RS 
V
I
(3)
Rys. 5.
Wykres logI=f(V) dla złącza p-n. Na rysunku zaznaczono: współczynnik kierunkowy
slope=
d log I
, obszar zdominowany przez prąd generacji – rekombinacji scr i przez prąd
dV
dyfuzyjny qnr oraz odpowiadające im prądy nasycenia Io,scr oraz Io,qnr.
6
Literatura: Wykłady 6,7 i 10 „Źródła i detektory”
Pytania kontrolne
1. Emisja spontaniczna i wymuszona.
2. Półprzewodniki z prostą i skośną przerwą wzbronioną.
3. Zasada działania złącza p-n.
4. Zasada działania diody LED.
5. Warunki wystąpienia akcji laserowej w złączu p-n.