ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ОПТОПАРЫ


Комбинацией опто и фотоэлектронных приборов является оптопара (оптрон). Структура оптопары приведена на рис. 11. В ней входной электрический сигнал Iвх преобразуется в оптический сигнал Ф, в качестве преобразователя обычно используют светодиод или полупроводниковый лазер (излучатель). Оптический сигнал Ф распространяется через оптический канал. Канал может быть открытым (вакуум, газ или жидкость) и закрытым (оптический световод). На выходе оптического канала имеется фотоэлектронный преобразователь – фотоприемник (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор) в котором оптический сигнал Ф преобразуется в электрический Iвых. Двойное преобразование входного сигнала I→Ф и Ф→I позволяет получить практически идеальную гальваническую развязку входного и выходного сигналов, невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным помехам, однонаправленность потока информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход и широкую полосу пропускания. К недостаткам оптопар следует отнести нелинейность их проходных характеристик, низкий КПД, температурную зависимость параметров, и высокий уровень собственных шумов.


В диодной оптопаре (рис. 12,а, 13,а) излучателем служит инфракрасный светодиод на основе арсенида галлия, фотоприемный элемент – фотодиод на основе кремния. Максимум спектральной характеристики GaAs светодиода расположен около λmax ≈ 1 мкм. При облучении фотодиода инфракрасным светом с λ ~ 1 мкм в нем возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок (внутренний фотоэффект). Интенсивность генерации пропорциональна силе света и, следовательно, входному току оптопары (току через светодиод). Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем p–n-перехода фотодиода и заряжают p-область положительно, а n-область отрицательно. На выходных клеммах оптопары появляется фото-ЭДС Uхх. Описанный режим работы оптопары называется фотогенераторным режимом. Передаточная характеристика оптопары в фотогенераторном режиме нелинейна: при увеличении входного тока фото-ЭДС приближается к контактной разности потенциалов на p–n-переходе Uхх ≤ 0.5÷0.6 В.

Оптроны обычно используются в фотодиодном режиме (рис. 12,а). К фотодиоду оптопары прикладывают обратное напряжение Uобр > 0.5 В. Электроны и дырки, генерируемые излучением, увеличивают обратный ток I0 p–n-перехода:

Iвых = I0 + Iфототок ≈ Iфототок.

Передаточная характеристика в фотодиодном режиме Iвых = f(Iвх) практически линейна. Коэффициент передачи по току диодных оптопар

KI = Iвых/ Iвх (7)

составляет единицы процентов и примерно равен значению внешнего квантового выхода светодиода.

В транзисторной оптопаре (рис. 12,б, 13,в) светодиод конструктивно расположен так, что излучение направляется в базовую область фототранзистора. При отсутствии света в цепи коллектора фототранзистора протекает ток Iтем ≈ h21э Iко, где Iко – обратный ток p–n-перехода база-коллектор.

Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фототранзистора включается внешний резистор с сопротивлением 0.1÷1.0 МОм. При облучении светом в базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны втягиваются в область коллектора полем обратносмещенного перехода база-коллектор. Дырки остаются в базе и увеличивают ее потенциал, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Соотношение между фототоками коллектора Iвых и базы

Iвых = h21э Iф.б, (8)

где h21э – коэффициент передачи тока базы транзистора (h21э ≈ 102), Iф.б – генерируемый излучением фототок в базе транзистора (дырочная составляющая фототока).

Фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Коэффициент передачи по току транзисторных оптопар KI = Iвых/ Iвх имеет величину порядка единицы. Передаточная характеристика транзисторной оптопары Iвых = f(Iвх) нелинейна. Транзисторные оптопары применяют обычно в ключевом режиме для передачи импульсных сигналов рис. 12,б.

Транзисторные оптопары используют для гальванической развязки логических цепей управления от высоковольтных цепей нагрузок большой мощности: для управления мощными тиристорами, в устройствах защиты вторичных источников питания и т.д.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПТОПАР

Условные обозначения микросхем светодиодных оптопар приведены на рис. 13: а) фоторезисторная, б) фотодиодная, в) фототранзисторная, г) фототиристорная оптопары.


В системе параметров оптопар выделяют:

Входные параметры (параметры излучателя):

Входной номинальный ток оптопары Iвх опт, мА;

Входное напряжение Uвх, В при Iвх опт;

Максимальный входной ток Iвх max, мА;

Максимальное входное обратное напряжение Uвх обр max, В;

Выходные параметры (параметры приемника):

Максимально допустимое обратное выходное напряжение Uвых обр max, В;

Максимально допустимый выходной ток Iвых.

Выходной обратный ток (темновой) Iвых т. или ток утечки на выходе Iут при Iвх = 0 и заданном значении Uвых;

Выходное остаточное напряжение (на открытом фототранзисторе) Uост, В;

Передаточные характеристики:

Статический коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх;

Проходная емкость оптопары Свых–вх, пФ;

Время нарастания импульсного выходного тока tнр, с;

Время спада импульсного выходного тока tсп, с;

Для тиристорной оптопары вместо коэффициента передачи по току приводят ток включения Iвкл.

Параметры изоляции:

Сопротивление изоляции между входом и выходом оптопары Rи, МОм;

Максимальное напряжение изоляции Uи max, В.

В справочниках для ряда оптопар может отсутствовать часть указанных выше параметров, а также могут быть приведены дополнительные параметры.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Выполнение лабораторной работы “Изучение оптоэлектронных приборов” предполагает:

1. Предварительное ознакомление с основами теории электропроводности собственных и примесных полупроводников, рекомбинации неравновесных носителей, процессов в p–n-переходе, фотопроводимости и люминесценции полупроводников; физическими принципами работы светоизлучающих диодов и оптоэлектронных пар.

2. Проведение испытаний светодиодов и оптоэлектронных пар в соответствии с заданиями, содержащимися в методических указаниях или полученных у преподавателя.

3. Обработку результатов измерений.

4. Подготовку и защиту отчета по работе.

Приборы и принадлежности: установка для исследования вольт-амперных и световых характеристик светодиодов, люксметр Ю-116, установка для исследования передаточных характеристик оптопар, источник постоянного тока MPS-6001 LK-1, два вольтметра В7-78/1 или аналогичные, установка для исследования диаграммы направленности светодиодов, установка для исследования спектральных характеристик светодиодов, исследуемые светодиоды и оптоэлектронные пары.

Задания

1. Собрать схему установки для снятия вольт-амперных и световых характеристик светодиодов согласно рис. 14.

2. Подготовить люксметр Ю116 к работе:

‑ фотоэлемент без светопоглощающих насадок закрыть светозащитным экраном и подключить к измерителю люксметра;

‑ установить предел измерения освещенности Lx= 30 лк;

– установить исследуемый светодиод в отверстие светозащитного экрана.

3. По справочнику или прилож.1 определить величину максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр max. Снять вольт-амперную I = f(U) (только прямую ветвь) и ампер-люксовую Lx = f(I) характеристики светодиода в диапазоне изменения тока I = 0÷ Iпр max.

4. Собрать установку для исследования диаграмм направленности светодиода рис. 15. Закрепить исследуемый светодиод в центре поворотного столика установки. Установить величину прямого тока Iпр = 0.8 Iпр max. Снять угловую зависимость интенсивности излучения светодиода в виде зависимости фототока фотодиода VD2 от угла поворота светодиода Iфот = f(α).


5. Собрать установку для исследования спектральных характеристик светодиодов рис. 16. Закрепить исследуемый светодиод напротив входной щели монохроматора. Измерить длину световой волны λmax, соответствующей максимуму (максимумам) спектральной характеристики излучения светодиода. Градуировочный график монохроматора (градуировочная таблица) входят в комплект установки.




6. Собрать установку для исследования передаточной характеристики диодных оптронов рис. 17. По справочнику или прилож. 3 определить величину максимально допустимого тока светодиода оптопары Iвх max. Снять передаточную характеристику оптрона Iвых = f(Iвх) в диапазоне токов Iвх = 0÷Iвх max.


7. Собрать установку для исследования передаточной характеристики транзисторных оптронов рис. 18. По справочнику или прилож. 4 определить величину максимально допустимого тока светодиода оптопары Iвх max. Снять передаточную характеристику оптрона Iвых = f(Iвх) в диапазоне токов Iвх = 0÷Iвх max. Установить максимальное значение входного тока оптрона Iвх max. Измерить остаточное напряжение на фототранзисторе оптрона рис. 18 (вместо амперметра в схеме поставить закорачивающую перемычку).

Обработка результатов измерений и подготовка отчета

1. Построить прямую ветвь ВАХ светодиодов Uпр = f(Iпр). Оценить величину контактной разности потенциалов перехода φ0 как показано на рис. 19.

2. Построить зависимость освещенности L от величины прямого тока светодиода (ампер-люксовую характеристику) L = f(Iпр). Найти величину светового потока создаваемого светодиодом при Iпр max:

ФL = LS, лм (9)

где L – среднее значение освещенности фотоэлемента (1 люкс = 1 люмен/ 1 м2),

S = 26.4 см2 – площадь поверхности фотоэлемента люксметра Ю116.

3. Оценить величину мощности излучения светодиода в энергетических единицах Фw. Световым потоком ФL в (фотометрических единицах – люменах) называют мощность светового излучения, оцениваемую по его действию на нормальный глаз. Для монохроматического излучения, соответствующего максимуму видности λ = 0.555 мкм, световой поток равен ФL = 683 лм, если мощность излучения равна Фw = 1 Вт. Приближенно принимая соотношение между мощностью излучения и световым потоком (поскольку использованный люксметр прокалиброван для белого света)

Фw ≈ ФL/683, Вт (10)

найти мощность излучения светодиода при Iпр max.

4. Оценить КПД светодиода

η ≈ Фw/Р = Фw/(Iпр max·Uпр max), (11)

где Uпр max – падение напряжения на светодиоде при Iпр max.

5. Найти величину внешнего квантового выхода светодиода ηвнеш как отношение числа излученных квантов света Фw/hν = Фwλmax/hc к полному числу актов рекомбинации Iпр max/qe

, (12)

где qe = 1.6·10–19 Кл – элементарный заряд, с = 3·108 м/с – скорость света.


6. Построить диаграмму направленности светодиода рис. 20 в полярных или декартовых координатах. Диаграмма направленности строится в относительных единицах. Принимая, что фототок фотодиода Iфот в установке рис. 15 пропорционален силе света Iν, получим

Iν/Iν max = Iфот/ Iфот max.

Из диаграммы направленности определить угол α0.5, при котором сила света составляет ½ от максимального значения. Полагая, что все излучение светодиода сосредоточено и равномерно распределено внутри телесного угла 2α0.5 стерадиан найдем силу света светодиода

Iν = ФL/4α0.5, кд. 

Сравнить полученные значения с нормированной величиной IL в паспорте светодиода.

7. По длине волны излучаемого света определить разность энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации

ΔWL = hc/λmax, Дж.

Сравнить полученное значение ΔWL с высотой потенциального барьера p–n-перехода qeφ0 и шириной запрещенной зоны ΔW полупроводникового материала светодиода.

8. Отчет должен содержать:

1) Основные теоретические положения и формулы, использованные при выполнении работы;

2) Описание методики проведения испытаний, электрических схем и использованной аппаратуры;

3) Полученные экспериментальные данные: таблицы с результатами проведенных измерений и графики;

4) Результаты обработки экспериментальных данных в соответствии с полученным заданием;

5) Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Прямозонные и непрямозонные полупроводники.

2. Зонные диаграммы светодиода с гомо и гетеро переходом в состоянии термодинамического равновесия и при прямом смещении.

3. Светодиоды. Конструкция и принцип действия.

4. Основные характеристики светодиода.

5. Оптоэлектронные пары. Конструкция, принцип действия.

6. Основные характеристики фотодиодных и фототранзисторных оптоэлектронных пар.

7. Объяснить полученные графики.

Индивидуалка Таня (25 лет) т.8 985 032-70-10 Москва | Индивидуалка Света (33 лет) т.8 968 057-64-21 Москва