Устройство оптоэлектроники. 
Устройство оптоэлектроники

Задача № 1

Изобразить структуру фотоприемника. Изобразить ВАХ фото-приемника. Дать определение основным параметрам. Пояснить принцип работы фотоприемника.

Таблица 1. Варианты и типы фотоприемников.

Решение:

Структура фотодиода Расширение частотного диапазона фотодиода без снижения его чувствительности возможно в p-i-n структурах (рис 1). Фотодиоды p-i-n отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью.

Рис. 1. Фотодиод с p-i-n структурой.

В p-i-n структуре i-область заключена между двумя областями противоположного типа электропроводимости и имеет удельное сопротивление, в 106−107 раз больше, чем сопротивление легированных областей nи p-типов. При достаточно больших обратных напряжениях сильное и почти однородное электрическое поле напряженностью Е распространяется на всю i-область. Поскольку эта область может быть сделана достаточно широкой. Такая структура создает основу для получения быстродействующего и чувствительного приемника. Дырки и электроны, появившиеся в i-области за счет поглощения излучения, быстро разделяются электрическим полем. Энергетическая диаграмма p-i-n диода при обратном смещении представлена на рис 2.

Рис. 2. Энергетическая диаграмма p-i-n фотодиода

Около 90% излучения поглощается непосредственно в i-области.

Принцип работы фотодиода с p-i-n структурой и основные параметры Работа фотоприемников основана на использовании внутреннего фотоэффекта в твердых телах. Поглощаемые полупроводником кванты освобождают носители заряда либо атомов решетки, либо атомов примеси. Поскольку для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, каждый тип фотоприемника имеет определенную длинноволновую границу определяемую формулой:

.

где, , .

Рис. 3. Конструкция p-i-n фотодиода

В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р+ (база) и n+ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i — intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия с показателем преломления, согласующим разные среды — стекловолокно и полупроводник. В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон. В основе работы фотодиода лежит обратно смещенный p — n переход. При нулевом смещении (ЕСМ=0) ток дрейфа, протекающий через переход, сбалансирован противоположными токами из-за диффузии основных носителей. При ЕСМ=0 диффузия прекращается. Фототок возникает при освещении i — слоя излучением определенной длины волны. При этом образуются пары «электрон — дырка». На них воздействует поле, созданное источником ЕСМ и сосредоточенное в i — слое. Это поле заставляет дрейфовать электроны и дырки. Создается фототок дрейфа I_ф=N*e, где е — заряд электрона, N — число электронов, прошедших из валентной зоны в зону проводимости.

Однако не все фотоны вызывают образование пар «электрон — дырка». По этой причине вводится понятие квантовой эффективности — соотношение числа электронов и фотонов в фотодетекторе:

I_ф=N_ф**e.

Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения.

величина фототока может быть представлена.

где h — постоянная Планка, с — скорость света, — длина волны излучения.

Чувствительность фотодиода оценивается.

S=.

Для фотодиодов характерна спектральная чувствительность за пределами длины волны.

На рисунке 4 приведены характеристики спектральной чувствительности фотодиодов на основе кремния Si и германия Ge.

Рис. 4. Спектральная чувствительность фотодиодов

Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p — n перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала. Полоса детектируемых частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности. Эквивалентная электрическая схема фотодиода позволяет оценивать частотные свойства фотодетектора для электрических сигналов (рис 5).

Рис. 5. Эквивалентная электрическая схема фотодиода

На вольт-амперной характеристике фотодиода можно увидеть предельное значение Е_СМ (т.е. Е_проб) и величину темного тока, протекающего через прибор при отсутствии освещения (рис. 6).

Рис. 6. Семейство ВАХ фотодиода

Темновой ток чаще всего обусловлен поверхностным током утечки. Он сильно зависит от температуры. Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (рис 7).

Рис. 7. Характеристика быстродействия

Задача № 2

Определить длинноволновую границу фотоэффекта и фоточувствительность фотоприемника. Изобразить вид спектральной характеристики и указать на ней .

Дано:

Тип ПП материала Ge;

Квантовая эффективность, ;

Ширина запрещенной зоны, ;

Найти: -? -?

Решение:

Работа фотоприемников основана на использовании внутреннего фотоэффекта в твердых телах. Поглощаемые полупроводником кванты освобождают носители заряда либо атомов решетки, либо атомов примеси. Поскольку для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, каждый тип фотоприемника имеет определенную длинноволновую границу, определяемую формулой:

;

где разность — энергетический заряд при переходе зона-зона или примесный уровень-зона:

Качество фотоприемника может быть оценено введением параметра квантовая эффективность. В идеальном случае каждый фотон должен генерировать один электрон фототока. Квантовая эффективность измеряется как число электронов на фотон. На практике часто используют в качестве основного рабочего параметра фоточувствительность.

.

где — длина волны фотона,; - фото чувствительность,.

Рис. 1 Спектральная характеристика германия

Задача № 3

Изобразить принципиальную схему включения семисегментного полупроводникового индикатора. Описать принцип действия индикатора. Указать какой цифровой код и состояния выходов дешифратора соответствуют индикации цифры, соответствующей последней цифре Вашего (пароля). Результаты оформить в виде таблицы истинности (таб.3).

Таблица 3. Входной двоичный код и состояния выходов дешифратора.

Дискретные светодиоды и шкальные сборки позволяют представлять наблюдателю двоичную информацию, используя для этого светящееся или несветящееся состояние, или же сигнальную информацию, используя для этого местоположение светящейся точки внутри полоски секций.

Рис. 1 Семисегментный шрифт: формат и обозначение сегментов

Задача № 4

Изобразить схему включения светодиода, с указанием полярности включения источника питания и номинала ограничительного сопротивления. Рассчитать, какую силу света обеспечивает светодиод при заданных и. Определить длину волны, соответственно максимуму спектрального распределения. Исходные данные варианта указаны в таблице.

Электрические и световые справочные параметры при Токр= 25 С:

Сила света, не менее:

АЛ102 В … …0,2 мкд Цвет свечения:

АЛ102 В …зеленый Максимум спектрального распределения излучения на длине волны:

АЛ102 В …0,53 мкм.

Для того, чтобы определить, какую силу света обеспечивает светодиод при заданных и, необходимо найти. Для этого построим линию нагрузки:

при ;

При ;

.

Найдем при заданных и :

По зависимости силы света определим, какую силу света обеспечивает светодиод.. По спектральной характеристике определить длину волны, соответствующую максимуму спектрального распределения.

.

фотоприемник полупроводниковый длинноволновый чувствительность.

• 1. Электронный курс лекций по дисциплине «Устройства оптоэлектроники». СибГУТИ, 2011 г.
• 2. Электронные методические указания к выполнению контрольной работы по курсу «Устройства оптоэлектроники». СибГУТИ, 2011 г.