Змістовний модуль 5. Елементи та пристрої оптоелектроніки. Напівпровідникові елементи оптоелектроніки

1.

Змістовний модуль 5. Елементи та
пристрої оптоелектроніки.
Заняття № 3 Напівпровідникові
елементи оптоелектроніки.

2.

Навчальні питання :
1. Будова та характеристики
випромінюючих діодів.
2. Будова та характеристики
фотодіодів.

3.

Навчальна література:
1. - Технічна електроніка: навч. посіб. /
Флорін О. П., Майборода І.М., Глущенко
М.О., Лазарев В.Д. Харків: Нац. акад.
НГУ, 2019. 410 с.
2. Васильєва Л.Д. та ін.
Напівпровідникові прилади: Підручник.
– К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”,
2003. – с. 27 – 39.

4.

Навчальні та виховні цілі:
1. Надання курсантам знання про: будову та
принцип роботи напівпровідникових
елементів оптоелектроніки.
2. Надання курсантам умінь розрізняти та
обирати напівпровідникові елементи
оптоелектроніки за їх параметрами.
3. Виховувати у курсантів особисту
відповідальності та гордість за Національну
гвардію України, впевненість у можливість
виконання поставлених задач підрозділами і
частинами НГУ у сучасних умовах.

5. 1. Будова та характеристики випромінюючих діодів.

До оптоелектронних
напівпровідникових діодів
відносяться прилади принцип дії яких
оснований на взаємозалежних
електронних (генерація,
рекомбінація, інжекція, екстракція) і
оптичних (випромінювання і
поглинання світла) властивостях
напівпровідників.

6. а) випромінюючі діоди в оптичному діапазоні електромагнітних хвиль;.

В залежності від функціонального призначення
оптоелектронні діоди поділяються на три
класи:
а) випромінюючі діоди в оптичному діапазоні
електромагнітних хвиль;.

7.

б) фотодіоди, реєструючі електромагнітне
випромінювання оптичного діапазону;

8.

в)діодні оптопари (оптрони) , які
складаються із випромінюючого і
фотореєструючого діодів, розміщенних
в єдиному корпусі, між якими існує
оптичний зв′язок і забезпечена
електрична ізоляція.

9.

Епоксидна лінза
Дротовий провідник
Площина відображення
Напівпровідниковий
кристал
Вивідна рамка
Плоска підставка

10.

Для виготовлення випромінюючих діодів
використовуються тільки такі напівпровідники,
в яких рекомбінація носіїв заряду є
випромінюючою.
До них відносяться :
фосфіт галію GaP (ΔЕg = 2,24еВ);
карбід кремнію SiC (ΔЕg = 1,9еВ);
арсенід галію GaAs (ΔЕg = 1,41еВ);
варізонні напівпроівідники на основі твердих
розчинів:
AlxGa1–xAs (ΔЕg = 1,41−1,8еВ);
GaAsxP1–x (ΔЕg = 1,41–1,8еВ).

11.

В залежності від оптичного діапазону і застосування
випромінюючі діоди існують двох видів:
– світловипромінюючі діоди (СВ–діоди),
працюють в видимій області спектра 0,45–0,69 мкм
і призначені для візуального сприйняття
відображеної інформації (світлодіодні індикатори
інформації),
– інфрачервоні випромінюючі діоди (ІЧ–діоди),
працюють в інфрачервоній області спектра 0,68
мкм і призначені для оптичної передачі і обробки
сигналів.
Різниця між ІЧ–діодом і СВ–діодом полягає тільки в
тому, що перший працює з фізичним регістратором
випромінювання (фотоприймачем), а другий – з
біологічним (оком).

12.

Характеристики СВ та ІЧ діодів
Вольт-амперна характеристика (ВАХ) СВ –
ІЧ-діодів
Світлова характеристика (СВ-діода як
джерела світла) – залежність сили світла
І (мкд) від прямого струму Іпр (мА), тобто
І =f(Іпр) (рис. 1.2) Сила світла вимірюється в
канделах (кд) або міліканделах (мкд), а
прямий струм – в амперах (А) або міліамперах
(мА).

13.

ІЧ-діоди описуються ват-амперною
характеристикою – залежністю потужності
випромінювання Рв від прямого струму Іпр
тобто Рв=f(Іпр) (рис. 1.3).

14.

Спектральна характеристика –
залежність спектральної інтенсивності
(потужності, яскравості)
випромінювання від довжини хвилі
І =f( ) або Рв =f( ) (рис. 1.4).
Спектральні характеристики (СВ - діодів) визначають колір свічення.

15.

Діаграма направленості (ДН) – просторовий
розподіл інтенсивності (потужності)
випромінювання в горизонтальній та
вертикальній площинах рис.1.5. Діаграма
направленості залежить від конструкції діода,
наявності лінзи, оптичних властивостей
захищаючого кристал матеріалу.

16.

Параметри СВ – діодів
сила світла І – випромінюючий діодом світловий потік,
що припадає на одиницю тілесного кута в напрямі,
перпендикулярному до площини випромінюючого
кристала. Приводиться в довіднику при заданому
значенні прямого струму Іпр і вимірюється в канделах
(кд);
– яскравість L – величина рівна відношенню сили
світла до площі поверхні, що світиться. Приводиться при
заданому значенні прямого струму і вимірюється в
канделах на квадратний метр (кд/м2);
– постійна пряма напруга Uпр – значення напруги на
світлодіоди при протіканні постійного прямого струму;
– максимально допустимий постійний прямий
струм Іпр max – максимальне значення постійного
прямого струму, при якому забезпечується задана
надійність при тривалій роботі діода;
– максимально допустима зворотна постійна
напруга Uзв max – максимальне значення постійної
напруги, підключеної до діода, при якій забезпечується
задана надійність при тривалій роботі;

17.

Параметри ІЧ–діодів
Потужність випромінювання Рвип. – потік
випромінювання певного спектрального складу.
Вимірюється при заданому прямому струмі через діод
в міліватах (мВт);
Імпульсна потужність випромінювання Рвип. ім. –
амплітуда імпульсу випромінювання при заданому
імпульсі прямого струму через діод, вимірюється в
мВт;
Максимум спектрального розподілу м –
визначається аналогічно як і для СВ – діода,
вимірюється в мікрометрах (мкм);
Ширина спектру випромінювання 0,5 –
інтервал довжин хвиль в якому спектральна густина
потужності випромінювання рівна половині
максимальної, вимірюється в нанометрах (нм);

18.

Друге питання. Будова та
характеристики фотодіодів.

19.

Будова і принцип роботи. Основою
сучасних фотодіодів є гомогенна або
гетерогенна р-і-n структура, в
герметичному металоскляному або
пластмасовому корпусі з оптичним
вікном в р- або п-області

20.

В залежності від способу створення електричного поля
розрізняються два режими роботи фотодіода (ФД):
а) фотогальванічний;
б) фотодіодний.
В фотогальванічному режимі для просторового
розділу електронно – діркових пар використовується
власна контактна різниця потенціалів р-п структури φк,
що приводить до накопичення електронів в n - області ,
а дирок – в р - області. Таким чином, р-п структура ФД
веде себе як джерело напруги Uфд величина якої не
перевищує контактної різниці потенціалів.
Фотогальванічний режим , використовується в плоских
кремнієвих “сонячних” елементах для перетворення
світлової енергії в електричну.
В фотодіодному режимі для просторового розділу
електронно – діркових пар використовується зовнішня
зворотна напруга. Під дією цієї напруги виникає
зворотній фотострум ІФ , величина якого залежить від
потужності РФ освітлення.

21.

В фотодіодному режимі, в
порівнянні з фотогальванічним,
інерційність ФД менша,
оскільки час прольоту носіїв від
місця генерації до відповідних
електродів в цьому режимі
малий із - за наявності значної
(106 В/cм ) напружності
електричного поля. Тому
фотодіодний режим
використовується для
реєстрації світлових сигналів з
високою частотою модуляції.
Слід відмітити, що поріг
чутливості ФД більший в
фотогальванічному режимі із–
за меншого рівня шумів.

22.

Основні параметри фотодіодів
Чутливість фотоструму до світлового потоку Sф або до
потужності світла Sp. – відношення приросту фотоструму до
приросту світлового потоку, вимірюється в мА/лм.
Діапазон спектральної характеристики чутливості ,
мкм. Спектральна характеристика чутливості відображає
реакцію фотодіода на дію випромінювання з різною довжиною
хвилі. Ця характеристика визначає спектральну область
застосування ФД.
Довжина хвилі м, яка відповідає максимуму спектральної
характеристики чутливості, вимірюється в мкм.
4. Порогова чутливість Рпор визначає рівень модульованої з
частотою 1Гц потужності світла, при якому фотоелектричний
сигнал ФД дорівнює шуму, вимірюється в Вт·Гц –1/2.
5. Номінальна робоча напруга Uном., В постійна зворотна
напруга на ФД, при якій забезпечені номінальні параметри
при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах.
6. Темновий струм Іт, мкА – струм, який протікає через
фотодіод при номінальній напрузі в відсутності потоку
випромінювання в межах спектральної чутливості.

23.

Завдання на самостійну підготовку
Поглибити та закріпити матеріал з даного заняття за
допомогою літератури [1,2].
Підготуватися до контрольного опитування з навчального
матеріалу даного заняття на наступному занятті.
Питання для самостійного вивчення.
1. Будова та характеристики інфрачервоних діодів.
2. Підготовка до модульного контролю за ЗМ 5.
Бути готовими надати відповіді на запитання:
Дати визначення оптоелектронних напівпровідникових діодів.
Надати класифікацію оптоелектронних напівпровідникових
діодів.
Розкрити будову та пояснити принцип дії випромінюючих
діодів.
Розкрити параметри випромінюючих діодів..
Розкрити будову та пояснити принцип дії фотодіодів.