Общие сведения о работе фотодиода



страница1/5
Дата12.02.2020
Размер0.81 Mb.
Название файла-
ТипЛабораторная работа
  1   2   3   4   5

КАФЕДРА

«БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Методические указания для лабораторной работы по курсам АПБС ч.3, «Биотелеметрия»

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ В БИОТЕЛЕМЕТРИИ

Лабораторная работа №3

Измерение основных характеристик приёмников оптического излучения

Профессор, д.т.н. ____________ И.Н. Спиридонов


Доцент, к.т.н. ____________ И.А. Аполлонова
Ассистент ____________ К.Г. Кудрин

Москва 2005



Содержание

Общие сведения о работе фотодиода 2

Лабораторная установка для измерения основных характеристик фотодиода. Методика измерений 9





Общие сведения о работе фотодиода

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

Фотовольтаическим эффектом – (фотогальваническим, вентильным) – 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 (VF).

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

К фотовольтаическим эффектам относятся, например:

- диффузионный фотоэффект,

- фотомагнитоэлектрический эффект,

- фотовольтаический эффект в полупроводниковом, контактном переходе.

Наибольшее применение в современных ПЛЭ 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.

Рис. 1. Принципиальная схема фотодиода.

а) – направление светового пучка параллельно плоскости p – n перехода;

б) – световой пучок и плоскость p – n перехода взаимно перпендикулярны.

1 – контакт n – области; 2 – контакт p – области; 3 – выводы; 4 – p – n переход.
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 Inn) и дырок из p – области в n – область (ток Ipp) (рис. 2а). Приконтактные области объединяются основными носителями. Это приводит к появлению объемных зарядов вблизи границы, образованных неподвижными зарядами ионизированных атомов примеси (рис. 2 б, в). По мере нарастания объемных зарядов нарастает электрическое поле, противодействующее диффузии основных носителей (возникает потенциальный барьер движению основных носителей (рис.2 в) и диффузионные токи основных носителей уменьшаются. Разность потенциалов этого поля называют контактной разностью потенциалов Vk, знак ее соответствует обеднению приконтактных областей основными носителями тока. Преодолеть потенциальный барьер могут только те из основных носителей, энергия которых больше энергии потенциального барьера (Ek=eVk, 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 Ipn), а электроны из p – области – в n – область ( ток Inp). Контактная разность потенциалов возрастает до тех пор, пока потоки основных и неосновных носителей через p-n переход не достигнут динамического равновесия:



При этом во внешней цепи ток отсутствует:



При приложении внешнего напряжения VD потенциальный барьер изменяется на величину eVD. Равновесие тока нарушается. При этом поток неосновных носителей через p-n переход изменяется незначительно, а ток основных носителей зависит от VD: при прямом включении (плюс к p – области, минус к n – области) контактная разность потенциалов уменьшается и ток основных носителей очень быстро возрастает с увеличением VD (рис. 2 г, д соответствует небольшому прямому напряжению |VD|<|Vk|); при обратном (запирающем) включении контактная разность потенциалов увеличивается и ток основных носителей практически прекращается (рис. 2 е, ж). 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 EФ, превышающей ширину запрещенной зоны собственного полупроводникового материала этой области (E) – EФ >E – 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 IF.

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 IF.



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

(1)



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©genew.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница
Контрольная работа
Курсовая работа
Лабораторная работа
Рабочая программа
Методические указания
Практическая работа
Методические рекомендации
Теоретические основы
Пояснительная записка
Общая характеристика
Учебное пособие
История развития
Общие сведения
Физическая культура
Теоретические аспекты
Практическое задание
Федеральное государственное
Направление подготовки
Теоретическая часть
Техническое задание
Самостоятельная работа
Дипломная работа
Общие положения
Методическая разработка
государственное бюджетное
Образовательная программа
квалификационная работа
Выпускная квалификационная
Технологическая карта
Техническое обслуживание
Решение задач
учебная программа
Методическое пособие
История возникновения
Краткая характеристика
Исследовательская работа
Рабочая учебная
Общие требования
Общая часть
История создания
Основная часть
Метрология стандартизация
Рабочая тетрадь
Название дисциплины
Техническая эксплуатация
Информационная безопасность
Современное состояние
Государственное регулирование
Математическое моделирование
Экономическая теория
Организация работы