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

Задача № 1

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

Таблица 1. Варианты и типы фотоприемников

Вариант	Тип фотоприемника (ФП)
0	Фотодиод на основе  р-n перехода

 

Решение:

Фотодиоды с p–n структурой

Структура фотодиода

          Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

          Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называетсяфототоком.

 Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

         Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

         При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1,б). 

 

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а - схема включения, б - ВАХ фотодиода

      Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 - 30 мкА, у кремниевых 1 - 3 мкА.

     Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут. Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами. 

 

    Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

   Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются оптронами (рис. 3).

 

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

 

 Задача № 2

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

Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 2.

                                                                Таблица 2. Варианты и данные фотоприемников

Вариант	Тип ПП материала	Квантовая эффективность, h	Ширина запрещенной зоны DW, эВ
0	Ge	0,2	0,6

 

Решение:

Определим длину волны, выше которой излучение перестает существовать:

 

Определим фоточувствительность Sф :

 

где l - длина волны фотона, мкм; Iф - фототок, А; Фе - поток излучения, Вт.

 

Рис.8. Спектральная характеристика фотоприемника

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.

 

Рис.9. Принципиальная схема включения семисегментного полупроводникового индикатора

Решение:

Все знаковые индикаторы подключаются к цифровым устройствам через дешифраторы, при увеличении числа светящихся точек быстро возрастает разрядность дешифратора, поэтому индикаторные элементы матричных панелей подключаются к дешифраторам через адресные шины. При отображении буквенно — цифровой информации используется дешифратор и блок ПЗУ. Дешифратор преобразует код цифры или буквы в двумерный код описывающий графическое изображение знака. ПЗУ хранит информацию о конфигурации всех отображаемых знаков в виде двумерных кодов.

Управляются матричные панели 2 способами:

1. Статическим 

2. Динамическим.

При статическом способе управляющее устройство находит адреса светящихся точек и подключает соответствующие провода к источнику питания, выбранные элементы излучают свет до смены изображения, такой способ удобен для индикации результатов измерений (данных графика и т. д.).

При динамическом способе отображается подвижные изображения. Отдельные ячейки панели возбуждаются импульсным источником и излучают свет в течение короткого интервала времени. Все изображение получается путем многократного возбуждения.

 

Рис.10. Семисегментный шрифт: таблица истинности для СД.

Таблица 3. Входной двоичный код и состояния выходов дешифратора.

Номер варианта	Входной код				Состояние выходов дешифратора
	23	22	21	20	А¢	В¢	С¢	D¢	Е¢	F¢	G¢
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1

 

 

 

Задача № 4

Изобразить схему включения светодиода, с указанием полярности включения источника питания Uпит и номинала ограничительного сопротивления Rогр . Рассчитать какую силу света обеспечивает светодиод, при заданных Uпит и Rогр. Определить длину волны соответствующую максимуму спектрального распределения. Исходные данные Вашего варианта указаны в табл. 4.

Таблица 4. Варианты и исходные данные задачи №4

№ варианта	Тип светодиода	Напряжение питания Uпит, В	Номинал ограничительного сопротивления, Ом
0	АЛ102В	5	510

Электрические и световые справочные параметры

при Токр= 25 ° С:

Сила света, не менее:

АЛ102В …………………………………………….………….….…..0,2 мкд

Цвет свечения:

АЛ102В ………………………………………………………….….зеленый

Максимум спектрального распределения излучения на длине волны:

АЛ102В ……………………………………………………………0,53 мкм

Рис.11. Схема включения светодиода

Для того чтобы определить какую силу света обеспечивает светодиод, при  заданных  Uпит  и  Rогр , необходимо найти Iпр сид . Для этого построим линию нагрузки : при  Iпр сид =0, Uпр сид=Uпит=5В, 

при U пр сид = 0 Iпр сид = Uпит/Rогр= 5/510 = 9,8 мА

Рис.12. Вольт-амперная характеристика (зона разброса и усредненная кривая)

Найдем  Iпр сид при  заданных  Uпит  и  Rогр :

Iпр сид  = (Uпит – U пр сид )/Rогр= (5 – 1,9 )/510 = 6,08 мА

По зависимости силы света I0 = F(Iпрсид) определим какую силу света обеспечивает светодиод

Рис.13. Зависимость силы света в относительных единицах от прямого тока

Сила света I0 = 0,4 мкд (что соответствует справочному параметру – не менее 0,2мкд при Токр= 25°С)

 

Рис. 14. Спектры излучения светодиодов 1-красного, 2-зеленого цвета свечения

 

Поскольку у АЛ102В цвет свечения зеленый, по графику 2 вычисляем длину волны, соответствующую максимуму спектрального распределения:  λ=0,53 мкм, что полностью совпадает со справочным параметром.

 

Министерство  Российской Федерации по связи информатизации

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и              Информатики

 

 

 

 

“Физические основы оптоэлектроники”

Контрольная работа

по предмету «Устройства оптоэлектроники»

 

 

 

 

Факультет ЗО

Студент группы: ЗМ-21

Брютова И.И

Преподаватель: Игнатов А.Н

 

 

Новосибирск  2014

Список литературы:

• Методические указания и контрольные задания. Игнатов А.Н. Новосибирск 2001.
• Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. Пихтин А.Н,1988
• Основы оптоэлектроники.Приборы для фотонной связи и их применение. 1992
• Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Аксенов А.И 1984