Понятие о приборах с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью (ПЗС или CCD) представляют собой совокупность МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник). Типичный ПЗС создается следующим образом. На полупроводниковой подложке (например, р-типа проводимости) формируется тонкий (0.1-0.15 мкм) слой диэлектрика (обычно окисла), на котором располагаются полоски проводящих электродов (из металла или поликристаллического кремния). Эти электроды образуют линейную или матричную регулярную систему, причем расстояния между электродами столь малы, что существенными являются эффекты взаимного влияния соседних электродов. Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и направленной передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений.

Если к какому-либо электроду приложить положительное напряжение, то в МДП-структуре возникает электрическое поле, под действием которого основные носители (дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходят от поверхности полупроводника. В результате у поверхности образуется обедненный слой, толщина которого составляет доли или единицы микрометра. Неосновные носители (электроны), генерированные в обедненном слое под действием каких-либо (например тепловых) процессов или попавшие туда из нейтральных областей полупроводника под действием диффузии, будут перемещаться (под действием поля) к границе раздела полупроводник - диэлектрик и локализоваться в узком (0,1 мкм) инверсном слое. Таким образом, у поверхности возникает потенциальная яма для электронов, в которую они скатываются из обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.

Через некоторое время (1-100 с) после приложения напряжения МДП-структура переходит в состояние термодинамического равновесия, характеризующегося образованием стационарного инверсного слоя, концентрация носителей в котором постоянна во времени. В ПЗС используется нестационарное состояние МДП-структуры. Так как скорость термогенерации носителей мала, то потенциальную яму МДП-структуры можно использовать для временного хранения сигнальных зарядовых пакетов. Максимальное время хранения в основном ограничено процессами термогенерации электронно- дырочных пар на поверхности и обедненном слое. Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает сигнальный, соответствующий хранению цифровой или аналоговой информации. Максимальное время хранения определяется как свойствами полупроводника, так и допустимой степенью искажений и составляет в реальных устройствах (без принудительного охлаждения) единицы или десятки миллисекунд.

ПЗС представляет собой совокупность МДП-структур, сформированных на подложке таким образом, что они оказывают взаимное влияние друг на друга вследствие взаимодействия приложенных внешних электрических полей. Взаимодействие соседних потенциальных ям возникает либо благодаря малому (0.1-1 мкм) расстоянию между соседними электродами, либо при создании специальных легированных областей, сформированных в полупроводнике и электрически связывающих соседние потенциальные ямы. Благодаря взаимодействию соседних потенциальных ям можно осуществлять направленную передачу зарядов. Процессом такой передачи управляют специальные периодические последовательности электрических импульсов, подаваемые на электроды.

Если ПЗС осветить, то поглощаемые в полупроводнике фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обедненном слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника. Величина зарядового пакета, накапливаемая в данном элементе, в первом приближении пропорциональна усредненному по площади элемента потоку фотонов и времени накопления. Использование ПЗС в астрономической практике в условиях низкой освещенности обычно требует больших времен накопления сигнала (секунды и десятки секунд). Для ослабления влияние термогенерации паразитного сигнала в этих случаях необходимо охлаждать приемник.

Характерные значения интегральной квантовой эффективности ПЗС (с учетом эффектов отражения и поглощения света) составляют 0.2-0.4. Как и другие полупроводниковые детекторы, ПЗС имеют определенную область спектральной чувствительности. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1.1 мкм. Коротковолновая граница равна 0.4-0.5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в тонком приповерхностном слое, в котором одновременно с фотогенерацией носителей интенсивно происходит их рекомбинация. Фоточувствительные ПЗС принципиально могут быть реализованы на разнообразных полупроводниковых материалах (с разной шириной запрещенной зоны), что позволяет перекрыть широкую область спектра, включая инфракрасный диапазон.

Световая чувствительность МДП-структуры сильно зависит от характеристик отражения покрытия, которое в общем случае является многослойным. Если в качестве электродов используются металлы (Al, Mo и т.д.), непрозрачные для видимого света, то свет проходит в специально сформированные окна или в зазоры между электродами. В этом случае оптическое пропускание определяется системой воздух-диэлектрик-полупроводник. Если используются полупрозрачные электроды из поликристаллического кремния, то свет проходит в системе: воздух-защитный слой SiO₂-поликремний-подэлектродный слой SiO₂- Si.

Существуют два способа засветки ПЗС: прямая (со стороны электродов) и обратная. Прямая засветка характеризуется низким коэффициентом пропускания из-за непрозрачности электродов. Этот недостаток принципиально неустраним. Широко используемые в технологии ПЗС поликремниевые электроды, хотя и являются полупрозрачными, плохо пропускают излучение сине-голубой области спектра. Вследствие интерференционных эффектов, возникающих в многослойной структуре, на спектральной характеристике появляются пики и провалы. Типовые спектральные характеристики фотоприемных ПЗС показаны на рис. 6.

При обратной засветке излучение проходит через подложку, прозрачность и однородность которой значительно выше. Важной особенностью режима обратной засветки является сильное диффузионное расплывание зарядового пакета, так как расстояние, которое должны пройти заряды от зоны фотогенерации до обедненного слоя значительно больше, чем в режиме прямой засветки. Спектральная характеристика при этом имеет вид плавной кривой. Длинноволновая граница определяется краем фундаментального поглощения, при котором энергия фотонов равна ширине запрещенной зоны кремния. Оптимизация толщины слоев многослойного покрытия позволяет повысить коэффициент пропускания. Другим способом повышения этого коэффициента и, следовательно, улучшения спектральной чувствительности является замена электродов из поликремния на проводящие окислы металлов (олова, индия, сурьмы), характеризующиеся более высокой прозрачностью, в том числе, и в сине-голубой области спектра.

Рисунок 6 - Спектральная чувствительность ПЗС

Рисунок 7 - Телескоп

Рабочее задание

Ознакомится с инструкцией по работе с телескопом.

Провести наблюдение лунной поверхности и фотографирование выбранных участков.

Провести наблюдение звездных скоплений и провести фотографирование выбранных участков.

Найти заданную преподавателем звезду и провести замеры интенсивности света в разных спектральных диапазонах с применением ФЭУ или фотоприемника.

Контрольные вопросы:

1. Для чего нужен первый и второй подсмотры?

2. Объясните принцип работы ФЭУ.

4. Для чего нужна линза Фабри?

5. Каков физический смысл понятия «квантовый выход»?

Литература

16. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособ. для вузов: - 2-е изд. - М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000.- 488с.

17. Р.М. Айтмамбетов, Е.А.Cванбаев, Ш.Б.Байганатова, А.С.Калшабеков, Б.Капланбеков, Т.И.Таурбаев. Структура и свойства некоторых функциональных фотопреобразователей и солнечных элементов. Мат. Конф. «Роль фундаментальных общеобразовательных дисциплин и применение информационных технологий при подготовке специалистов в технических ВУЗах», ВИИРС, Алматы, 2004, с. 15-19.

18. Ю. А. Дудников, С.М. Манаков, Е.А.Cванбаев, А.А. Стамкулов, Т.И.Таурбаев, Л.Л. Хренов, Фотопреобразователи на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Ж. «Оптико-механическая Промышленность», №12, 1989, стр. 49-51.

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОДИОДА

Цель работы: Изучение семейства характеристик фотодиодов (ФД) при различных уровнях освещения.

Приборы и принадлежности:

1 Микроамперметр.

2 Вольтметр.

3 Источник света.

5.1 Теория фотодиодов

Фотодиоды – приборы, основанные на явлении фотовольтаического эффекта в полупроводниковом контактном переходе и предназначенные как для работы с приложением внешнего напряжения, так и без него.

Фотовольтаическим эффектом – называют форму внутреннего фотоэффекта в полупроводниках со свойствами, неоднородными для движения фотоносителей даже при отсутствии внешнего напряжения, при которой оптически генерированные неравновесные носители заряда пространственно разделяются в объеме полупроводника вследствие его неоднородности, образуя при этом пространственно разделенные объемные заряды и, следовательно, разность потенциалов между участками облученного образца, называемую фото ЭДС (V_F).

Если эти участки соединить проводником, то при облучении полупроводника во внешней цепи возникает электрический ток, направленный на уменьшение объемных зарядов - фототок (J_f).

К фотовольтаическим эффектам относятся, например:

- диффузионный фотоэффект,

- фотомагнитоэлектрический эффект,

- фотовольтаический эффект в полупроводниковом, p - n переходе.

Наибольшее применение нашел последний вид фотовольтаического эффекта, при котором разделение фотоносителей происходит за счет действия внутреннего электростатического поля. Внутреннее электростатическое поле образуется в объеме полупроводника в области контакта полупроводников с разным типом проводимости (p-n перехода) или контакта полупроводника с металлом.

В настоящее время при создании фотодиодов чаще других применяются p-n переходы, поэтому рассмотрим работу таких фотодиодов.

Фотодиод представляет собой пластинку полупроводникового материала, внутри которого имеются области примесной электронной (n – область) и дырочной (p – область) проводимостей. Границу между этими областями называют контактным p-n переходом (рис. 1). Электронная и дырочная области снабжены невыпрямляющими контактами с присоединенными к ним выводами, с помощью которых осуществляется связь с внешней цепью. С целью предохранения чувствительного слоя фотодиода от воздействия внешней среды он покрывается лаком или монтируется в герметичном корпусе, изготовленном или из металла (со стеклянным входным окном) или из пластмасс.

Рисунок 1 - Принципиальная схема фотодиода

При нормальной температуре примесный полупроводник содержит:

- подвижные заряды – основные носители тока, образованные в подавляющем большинстве термическим возбуждением атомов примеси и, в значительно меньшем количестве – атомами собственного полупроводника;

- подвижные заряды – неосновные носители тока, образованные термическим возбуждением собственного полупроводника;

- неподвижные заряды – ионы примесей.

Если внутри полупроводника граничат две области с разным типом проводимости, то возникает диффузия основных носителей тока: диффузионные токи электронов из n – области в p – область (ток I_nn) и дырок из p – области в n – область (ток I_pp). Приконтактные области объединяются основными носителями. Это приводит к появлению объемных зарядов вблизи границы, образованных неподвижными зарядами ионизированных атомов примеси (рисунок 2).

Рисунок 2 – Формирование p-n перехода

По мере нарастания объемных зарядов нарастает электрическое поле, противодействующее диффузии основных носителей (возникает потенциальный барьер движению основных носителей и диффузионные токи основных носителей уменьшаются. Разность потенциалов этого поля называют контактной разностью потенциалов V_k, знак ее соответствует обеднению приконтактных областей основными носителями тока. Преодолеть потенциальный барьер могут только те из основных носителей, энергия которых больше энергии потенциального барьера (E_k=eV_k, e – заряд электрона).

Одновременно с диффузионным током основных носителей возникает встречный дрейфовый ток неосновных, т.к. для них контактное электрическое поле является ускоряющим. Дырки из n – области переходят в p – область (ток I_pn), а электроны из p – области – в n – область (ток I_np). Контактная разность потенциалов возрастает до тех пор, пока потоки основных и неосновных носителей через p-n переход не достигнут динамического равновесия:

(1)

При этом во внешней цепи ток отсутствует:

(2)

При приложении внешнего напряжения V_D потенциальный барьер изменяется на величину eV_D. Равновесие тока нарушается. При этом поток неосновных носителей через p-n переход изменяется незначительно, а ток основных носителей зависит от V_D: при прямом включении (плюс к p – области, минус к n – области) контактная разность потенциалов уменьшается и ток основных носителей очень быстро возрастает с увеличением V_D. При обратоном включении контактная разность потенциалов увеличивается и ток основных носителей практически прекращается. Вольт-амперная характеристика неосвещенного p-n перехода приведена на рис. 3 (кривая Ф = 0), где за положительные приняты: запирающее напряжение на диоде и обратный ток диода.

При облучении одной из областей излучением с энергией квантов E_Ф, превышающей ширину запрещенной зоны собственного полупроводникового материала этой области (DE) – E_Ф >DE – в объеме полупроводника генерируются пары неравновесных носителей тока – фотоэлектроны и фотодырки (внутренний фотоэффект в собственном полупроводнике). Когда дифференцирующие в объеме полупроводника фотоносители достигают области p-n перехода, в контактном электрическом поле происходит пространственное разделение пар: основные фотоносители остаются в объеме той области, где они возникли; неосновные свободно проходят через p-n переход, так как для них контактное поле является ускоряющим. Таким образом, неосновные фотоносители создают внутри p-n перехода дополнительный ток, который называют фототоком I_F.

Рисунок 3 - Вольт-амперная характеристика p-n перехода

При разомкнутой внешней цепи фотоносители накапливаются: основные в той области, где они возникли, неосновные – в другой. Эти фотоносители образуют объемный заряд и, следовательно, фото ЭДС. Полярность фото ЭДС обратна контактной разности потенциалов, соответствует обогащению областей основными носителями и совпадает со знаком напряжения, приложенного к p-n переходу в прямом направлении. В результате возникновения фото ЭДС разность потенциалов (потенциальный барьер) уменьшается, что вызывает приращение потока основных носителей через p-n переход, направленного навстречу фототоку внутри p-n перехода.

Фото ЭДС возрастает до тех пор, пока не наступит новое состояние динамического равновесия между потоками основных и неосновных носителей через p-n переход.

При коротком замыкании внешней цепи фотоносители, разделенные электрическим полем p-n перехода, будут уходить во внешнюю цепь, создавая в ней фототок I_F.

Величина фототока в p-n переходе, освещенном монохроматическим потоком Ф_х определяется выражением:

(3)

N_F – количество неосновных фотоносителей, проходящих через переход в единицу времени;

r_l – коэффициент отражения на поверхности полупроводника;

n_l – квантовый выход внутреннего фотоэффекта;

b_l – коэффициент собирания пар оптически генерированных носителей (эффективность разделения пар);

S_lI – токовая монохроматическая чувствительность p-n перехода.

При приложении к облученному p-n переходу внешнего напряжения в запирающем направлении потенциальный барьер увеличивается. При этом ток основных носителей через p-n переход практически прекращается и во внешней цепи течет суммарный ток неосновных фотоносителей (фототок I_F) и термически генерированных неосновных носителей (темновой ток I_T), который называют общим током I_общ:

(4)

Фотодиоды основаны на фотогальваническом эффекте и предназначены для работы как с приложением внешнего напряжения (фотодиодный способ включения), так и без приложения внешнего напряжения (вентильный способ включения) в отличие от полупроводниковых фотоэлементов, которые работают только в вентильном режиме.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотодиода (за положительные направления принимаются: направление фототока; направление напряжения, запирающего p-n переход):

(5)

где V_D – внешнее напряжение, приложенное к фотодиоду;

I_общ – общий ток, протекающий через фотодиод; он равен сумме фототока I_F и темнового тока I_T:

(6)

I_T – темновой ток фотодиода, т.е. ток, протекающий через фотодиод в отсутствие облучения при заданном V_D:

(7)

е – заряд электрона;

К – постоянная Больцмана, К = 8,63×10^-5 [эВ/K]

Т – температура фоточувствительного элемента фотодиода [K];

I₀ – обратный ток p-n перехода фотодиода, образованный неосновными носителями заряда в отсутствие внешнего напряжения и облучения:

(8)

I_0¥ – условное значение обратного тока при очень большой температуре, когда ионизированы все собственные атомы полупроводника;

DE – ширина запрещенной зоны собственного полупроводника; I_F – фототок:

I_F =S_I×Ф (9)

S_I – интегральная токовая чувствительность фотодиода;

Ф – поток, падающий на чувствительную площадку.

Подставляя (4) в (3), получим:

(10)

При практически используемых напряжениях питания ФД, прикладываемых в запирающем направлении: eV_D>>KT, (при нормальной температуре 293К KT»0,025 ЭВ) т.е. при V_D=1 В =40 и »0,4×10^-17<<1.

Поэтому можно считать, что температурная характеристика темнового тока имеет вид:

(11)

т.е. величина и температурная характеристика темнового тока определяются величиной ширины запрещенной зоны собственного полупроводника DE.

Отметим, что в выражение фотосигнала фотодиода – фототока I_F – температура не входит, т.е. он мало зависит от температуры. Это одно из важных достоинств фотодиода.

Графики вольт-амперных характеристик фотодиода приведены на рис.3 и показывают, что фотодиод – существенно нелинейный электрический элемент.

В зависимости от способа включения фотодиода и способа измерения фотосигналом цепи включения может служить или фототок или напряжение фотосигнала.

Фототок фотодиода преобразуется в напряжение фотосигнала посредством включения в электрическую цепь сопротивления нагрузки R_Н

Применяют два способа (основных) включения фотодиода:

- фотодиодный режим (рис.4а)

- вентильный режим (рис.4б)

а б

Рисунок 4 - Фотодиодный (а) и вентильный (б) режимы работы фотодиода

Вентильный режим характерен отсутствием внешнего источника питания, т.е. используется способность p-n перехода фотодиода генерировать фотосигналы – фототок или фото ЭДС.

В фотодиодном режиме внешнее напряжение V_D прикладывается в запирающем направлении.

5.2 Методы измерения фотосигнала

Нелинейный характер ВАХ фотодиода затрудняет расчет величины фотосигнала (фототока или напряжения) в цепях включения с сопротивлением нагрузки.

Для определения величины напряжения фотосигнала необходимо определить состояние электрической цепи с нелинейным электрическим элементом (фотодиодом) в темноте и при облучении, т.е. определить ток в цепи и падение напряжения на каждом из элементов. Разница падений напряжения на сопротивлении нагрузки в темноте и при облучении является искомым напряжением фотосигнала.

Для схемы рисунок 4а (фотодиодный режим) на основании закона Кирхгофа можно записать два равенства, связывающие параметры состояния электрической цепи:

(12)

(13)

где I_D, I_H – токи, протекающие через фотодиод и сопротивление нагрузки; V_D, V_H – падение напряжения на фотодиоде и сопротивлении нагрузки; V_n – напряжение питания цепи включения (заданная величина). Кроме того, мы располагаем ВАХ фотодиода, т.е. зависимостью

(14)

Если мы найдем зависимость

(15)

и приравняем правые части равенства (14) и (15) на основании равенства (12), то найдем V_D, затем из равенства (13) – V_H и, наконец, I_H.

Для отыскания зависимости (15) поделим обе части равенства (14) на величину сопротивления нагрузки R_H.

Тогда

(16)

Полученная зависимость – уравнение прямой линии. Для графического построения ее удобны точки:

точка а ; ;

точка б ; .

Эту прямую называют нагрузочной прямой. Точка б соответствует режиму короткого замыкания фотодиода. Практически величину сигнала удобно определить графическим методом (рисунок 5).

Рисунок 5 – Нагрузочная прямая фотодиода

Построим на одном графике две вольтамперные характеристики фотодиода (при заданном уровне облучения – потока Ф и в неосвещенном состоянии) и нагрузочную прямую. ВАХ фотодиода находят расчетом или чаще – экспериментально.

Точки пересечения ВАХ и нагрузочной прямой соответствуют выполнению равенства (12), следовательно, их координаты (I_D, V_D) описывают два состояния электрической цепи. Падения напряжения на сопротивлении нагрузки легко определяется по тому же графику:

(17)

а напряжение фотосигнала равно:

(18)

Для вентильного режима решение отыскивается аналогичным образом при условии V_n=0. Уравнение нагрузочной прямой в этом случае имеет вид:

(19)

В общем случае для этого режима .

При (режим холостого хода) напряжение фотосигнала равно фото ЭДС.

При (режим короткого замыкания) ток во внешней цепи равен фототоку p-n перехода (если пренебречь влиянием внутреннего сопротивления областей полупроводника между p-n переходом и электрическими контактами). Графоаналитический метод позволяет исследовать влияние изменения параметров цепи включения на величину сигнала и выбрать величину оптимальной нагрузки при заданных условиях.

Упрощенные теоретические выражения для ВАХ фотодиода и для фототока показывают, что фототок фотодиода не зависит от приложенного напряжения и линейно зависит от падающего потока излучения. Это положение приближенно соблюдается и на практике (небольшое увеличение фототока с ростом напряжения V_D объясняется лучшим разделением пар фотоносителей при увеличении потенциального барьера). Поэтому способность собственно фотодиода преобразовывать оптическое излучение в электрический сигнал принято описывать его интегральной токовой чувствительностью; и именно эта величина указывается в паспортных данных фотодиода:

S_I= I_F/ Ф (20)

При экспериментальных измерениях фототок определяется как разность общего (I_общ) и темнового (I_Т) токов, поэтому

(21)

Цепь включения ФД характеризуют интегральной вольтовой чувствительностью:

(22)

Вид энергетической характеристики напряжения фотосигнала цепи включения фотодиода и величина чувствительности зависят от параметров цепи включения.

Участок ВАХ фотодиода правее точек Г_n рисунок 5 (n=0,1,2…), где общий ток фотодиода I_общ практически не зависит от приложенного напряжения, ВА называют областью насыщения ВАХ.

Если сопротивление нагрузки R_H и напряжение питания V_n (рис.4) выбраны так, что в заданном диапазоне величин облучения фотодиода нагрузочная прямая пересекает область насыщения ВАХ, то напряжение фотосигнала

(23)

(24)

а интегральная вольтовая чувствительность цепи включения фотодиода:

(25)

то есть

(26)

Выражения (24) и (26) показывают, что в этом случае напряжение светосигнала и вольтовая чувствительность не зависят от напряжения питания V_n, определяются одним из параметров цепи включения – величиной сопротивления нагрузки R_H, а энергетическая характеристика фотосигнала линейна.

Выражение (26) показывает, что с ростом R_H увеличивается S_V. Однако, если сопротивление R_H увеличить (или напряжение питания уменьшить) до такой степени, что нагрузочная прямая пересекает ВАХ не в области насыщения, то нарушается линейность энергетической характеристики напряжения фотосигнала и выражения (24) и (26) перестают быть справедливыми.

Сравнивая фотосигналы и вольтовые чувствительности фотодиода в двух режимах его работы, можно отметить следующее.

В вентильном режиме (V_n=0) величина напряжения фотосигнала V_С не превышает величины фото ЭДС, обычно составляющей сотые и десятые доли вольта; в фотодиодном режиме (V_n – несколько десятков вольт) парметры цепи включения могут быть выбраны так, что при том же облучении V_С может приближаться по величине к U_П, т.е. вольтовая чувствительность фотодиодной схемы включения может быть в сотни раз больше, чем вентильной.

Сравнение режимов работы фотодиода показывает следующее.

Преимуществами фотодиодного режима являются:

- большая вольтовая чувствительность,

- меньшая инерционность (т.к. приложенное напряжение способствует более быстрому дрейфу фотоносителей к p-n переходу).

Преимущество вентильного режима состоят в:

- отсутствии внешнего источника питания,

- меньшем уровне шумов (т.к. в этом режиме отсутствует темновой ток).

Особенными достоинствами в вентильном способе включения фотодиода обладает режим короткого замыкания, когда выходным сигналом является фототок. Как было показано выше, он пропорционален падающему лучистому потоку и практически не зависит от температуры p-n перехода.

Методика измерений

В данной лабораторной работе измеряются семейства вольтамперных характеристик (ВАХ) фотодиодов (ФД) при различных уровнях облучения. Необходимость измерения ВАХ обусловлена тем, что ФД является существенно нелинейным элементом электрической цепи, управляемым оптическим излучением.

Лабораторная установка состоит из трех основных блоков: источника излучения, фотодиода и измерительного микроамперметра (Рисунок 6 )

Рисунок 6 - Лабораторная установка для измерения основных характеристик фотодиода

На основе проведенных измерений вычисляются основные фотоэлектрические характеристики и параметры ФД и цепи его включения:

- энергетическая характеристика фототока;

- энергетические характеристики напряжения фотосигнала;

- токовая чувствительность цепи включения ФД;

- вольтовая чувствительность цепей включение ФД.

Укажем те особенности методики, которые связаны с необходимостью измерять ВАХ ФД, чувствительных в видимой области спектра:

- измерения проводятся на постоянном токе (частота модуляции=0).

Источник излучения - лазер и параметры его излучения оцениваются в энергетических единицах (по реакции человеческого глаза).

Работа на постоянном токе позволила существенно упростить лабораторную установку: она не содержит модулятора оптического излучения и усилителя переменного тока. Измерителем фотосигнала служит чувствительный микроамперметр.

5.4 Порядок выполнения работы

1. Подготовьте таблицу 1 в соответствии с образцом.

После ознакомления с измерительным стендом, замерить и занести с таблицу измеренные значения.

2. Постройте график семейства ВАХ при комнатной температуре для заданных потоков.

3. Постройте график семейства энергетических характеристик фототока ФД по отношению к потоку при напряжениях 0,5; 10; 15 В. Сформируйте вывод о влиянии напряжения, приложенного к фотодиоду на токовую чувствительность ФД.

4. Определите интегральную токовую чувствительность ФД к освещенности и к потоку при напряжении 10В. Размер чувствительной площадки фотодиода Æ=2 мм.

5. Определите графоаналитическим методом величину напряжения фотосигнала при заданных условиях (Ф, R_H , V_n)

Определите ту же величину по формуле для напряжения фотосигнала

6. Исследуйте влияние изменения величины сопротивления нагрузки на величину напряжения фотосигнала.

Для этого определите графоаналитическим методом напряжения фотосигналов при том же потоке, что и в п.5 и пяти значениях сопротивления нагрузки (R_H по пункту 4: 0,1R_H; 0.5 R_H; R_H; 2 R_H; 10 R_H)

Постройте график зависимости напряжения фотосигнала от сопротивления нагрузки.

Результаты измерений фототока. Таблица 1

Сформулируйте вывод о влиянии величины сопротивления нагрузки на величину напряжения фотосигнала.

Литература

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособ. для вузов: - 2-е изд. - М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000.- 488с.

2. C.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Изд. “Наука”, 1984г, 364 с.

3. Шалимова К. И.Физика полупроводников. М., Энергоатомиздат, 1985, 392 с.

4. Ю. А. Дудников, С.М. Манаков, Е.А.Cванбаев, А.А. Стамкулов, Т.И.Таурбаев, Л.Л. Хренов, Фотопреобразоватесли на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Ж. «Оптико-механическая Промышленность», №12, 1989, стр. 49-51.

Лабораторная работа № 6

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: