МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра Электронных приборов и устройств ОТЧЕТ по лабораторной работе №8 по дисциплине «Компоненты электронной техники» ТЕМА: ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ И ФОТОДИОДОВ Студенты гр. 2202 Михеев Д. А. Николаев А. В. Преподаватель Грязнов А.Ю. Санкт-Петербург 2024 г. Лабораторная работа 8 Исследование светодиодов и фотодиодов Цель работы – ознакомление с основными параметрами светодиодов и фотодиодов, их измерение. Основные сведения о конденсаторах Светодиод – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры. Процесс самопроизвольной рекомбинации инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p–n-переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на низкий. При этом избыточная энергия выделяется в виде излучения кванта света. Для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC); твердые растворы: галлий–мышьяк–фосфор (GaAsP) и галлий–мышьяк–алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (ΔW > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового. На рис. 8.1 представлены несколько ВАХ для различных светодиодов. С некоторого порогового значения напряжения начинается резкий рост тока, что позволяет определить материал полупроводника. Фотодиод – приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счет процессов в p–n-переходе. 2 Рис 8.1. ВАХ для различных светодиодов Рис 8.2. ВАХ фотодиода при различном освещении При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p–n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей – дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p–n–перехода и емкостью p–n–перехода C. На рис. 8.2 представлена ВАХ фотодиода при различных световых потоках Ф; обратный ток фотодиода пропорционален световому потоку. Фотодиод может работать в двух режимах: фотогенератора без внешнего напряжения и фотопреобразователя с внешним обратным напряжением. Одной из основных характеристик фотодиода является спектральная чувствительность, определяемая зависимостью фототока от длины волны падающего света. Со стороны больших длин волн она определяется шириной запрещенной зоны, с малых – поглощением и увеличением влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения. Фототок прямо пропорционален освещенности, т. е. практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока. 3 Обработка результатов Рис. 8.3− Схема исследования яркости светодиодов Рис. 8.4. Схема исследования обратной ветви ВАХ фотодиода Таблица №1 – Зависимость яркости светодиодов от проходящего через них тока Uвх, В ILED, мА для красного светодиода If, мкА для красного ILED, мА для жёлтого светодиода If, мкА для желтого ILED, мА для зелёного светодиода If, мкА для зеленого ILED, мА для синего светодиода If, мкА для синего 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.00 0.00 0.91 1.82 2.82 3.64 4.55 5.55 6.55 7.41 8.41 0.00 0.11 1.18 1.38 1.69 1.84 1.95 2.06 2.13 2.17 2.19 0.00 0.00 0.91 1.91 2.82 3.73 4.73 5.64 6.55 7.50 8.45 0.00 0.00 0.07 0.17 0.27 0.38 0.49 0.60 0.70 0.81 0.90 0.00 0.00 0.91 1.86 2.77 3.73 4.64 5.64 6.41 7.41 8.32 0.00 0.00 0.04 0.10 0.16 0.24 0.31 0.38 0.52 0.60 0.68 0.00 0.00 0.64 1.50 2.50 3.41 4.36 5.32 6.14 7.18 8.05 0.00 0.00 3.28 3.76 3.87 4.15 4.26 4.36 4.41 4.48 4.52 4 If(ILED) 5,00 4,50 4,00 3,50 If, мА 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 1,00 2,00 3,00 If красный 4,00 5,00 If желтый 6,00 If зеленый 7,00 If синий 8,00 9,00 ILED, мкА Рис. 8.5 − Зависимость яркости светодиодов от напряжения Таблица №2– Исследование зависимости напряжения от освещённости Длина волны λ, нм Напряжение, мВ 400 3.5 425 5.0 450 6.7 475 11.1 500 9.1 525 12.0 550 26.0 575 25.9 600 28.2 650,00 700,00 750,00 625 24.0 650 15.0 Uf(λ) 30,00 25,00 Uf, мВ 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 λ, нм Рис. 8.6 − Зависимость генерируемого фотодиодом напряжения от длины волны падающего излучения 5 Таблица №3– Исследование вольт-амперной характеристики фотодиода Uf, В 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 If, мкА без -0.03 -0.06 -0.82 -1.04 -1.23 -1.37 -1.52 -1.67 -1.78 -0.25 -0.85 -1.09 -1.27 -1.45 -1.64 -1.79 -1.93 -2.09 -1.39 -3.33 -3.73 -3.84 -4.14 -4.30 -4.45 -4.59 -4.73 освещения If, мкА для красного светодиода If, мкА для синего светодиода If(Uf) 1,00 0,00 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 If, мкА -1,00 -2,00 -3,00 -4,00 -5,00 Uf, В If, мкА без освещения If, мкА для красного светодиода If, мкА для синего светодиода Рис. 8.7 – Обратная ветвь ВАХ фотодиода 6 Вывод: Мы изучили зависимость яркости светодиодов от проходящего тока, набольшей яркостью обладает синий светодиод. Полученные результаты соответствуют теоретическим положениям – при увеличении тока увеличивается яркость светодиода, до момента насыщения – когда рекомбинация начинает происходить без излучения. По графику спектральной зависимости мы наблюдаем наибольшее напряжения на длинах волн от 525 до 625 нм. Это значит, что фотодиод наиболее эффективно преобразует излучение с этими длинами волн в электрическое напряжение. Изучение обратной ветви ВАХ светодиода показывает увеличение проходящего тока при наличии источника излучения. Фотодиод наиболее чувствителен к синему цвету, что соответствует теоретическим положениям т.к. на этой длине волны фотоны имеют большую энергию по сравнению с излучением красного цвета. 7
