Устройства оптоэлектроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача №1

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

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 фото ЭДС 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.

Рисунок 2

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 и фоточувствительность приемника. Изобразить вид спектральной характеристики фотоприемника и указать на ней.

Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 2.

Таблица 1. Варианты и данные фотоприемников

Решение:

Определим длину волны, выше которой излучение перестает существовать:

Определим фоточувствительность Sф:

где I_ф - фототок, А;

Ф_е - поток излучения, Вт.

Рис.4. 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. 5. 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.6. Семисегментный шрифт: таблица истинности для СД.

Таблица 2. Входной двоичный код и состояния выходов дешифратора.

Задача №4

фотоприемник индикатор дешифратор светодиод

Изобразить схему включения светодиода, с указанием полярности включения источника питания U_пит и номинала ограничительного сопротивления R_огр. Рассчитать какую силу света обеспечивает светодиод, при заданных U_пит и R_огр. Определить длину волны соответствующую максимуму спектрального распределения. Исходные данные Вашего варианта указаны в табл. 3.

Таблица 3. Варианты и исходные данные задачи №4

Электрические и световые справочные параметры

при Т_окр= 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.7. Схема включения светодиода

Для того чтобы определить какую силу света обеспечивает светодиод, при заданных U_пит и R_огр, необходимо найти I_{пр сид.} Для этого построим линию нагрузки: при I_{пр сид} =0, U_{пр сид}=U_пит=5В, при U пр сид = 0 Iпр сид = U_пит/R_огр= 5/510 = 9,8 мА

Рис.8. Вольт-амперная характеристика (зона разброса и усредненная кривая)

Найдем Iпр сид при заданных U_пит и R_огр:

Iпр сид = (U_пит - U пр сид )/R_огр= (5 - 1,9 )/510 = 6,08 мА

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

Рис.9. Зависимость силы света в относительных единицах от прямого тока

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

Рис. 10. 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: л=0,53 мкм, что полностью совпадает со справочным параметром.

Список литературы

1. Методические указания и контрольные задания. Игнатов А.Н. Новосибирск 2001.

2. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. Пихтин А.Н. - 1988

3. Основы оптоэлектроники. Приборы для фотонной связи и их применение. 1992

4. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Аксенов А.И. - 1984

Размещено на Allbest.ru