Описание лабораторной работы №7

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ
Кафедра Телевидения и мультимедийных систем
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор-проректор по ОД
__________ Н.Н. Маливанов
« ______ » __________ 201 ___ г.
Регистрационный № ________
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
для выполнения лабораторных работ
«ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА В РАДИОТЕХНИКЕ»
дисциплины
индекс по ФГОС ВПО (рабочему учебному плану) Б.3.В.ОД.1
Направление 210400.62 «РАДИОТЕХНИКА»
(наименование направления)
Вид профессиональной деятельности: Бакалавр
(наименование вида профессиональной подготовки)
Профиль подготовки Аудиовизуальная техника
(наименование профиля подготовки)
Профиль подготовки Радиофизика
(наименование профиля подготовки)
Казань 2013 г.
Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА
КНИТУ-КАИ
Оптические устройства в радиотехнике
Лабораторная работа №2
Исследование характеристик светодиодов
Казань 2013
1
Министерство образования Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА
КНИТУ-КАИ
Оптические устройства в радиотехнике
Лабораторная работа №2
для студентов очной и заочной формы обучения
Исследование характеристик светодиодов
Казань 2013
2
1.Теоретическая часть.
1.1.Физические явления в p-n переходе
а
б
в
Рисунок 1. Зонные диаграммы а)собственного полупроводника, б)полупроводника n-типа,
в)полупроводника р-типа.
На рисунке 1 а) изображена зонная диаграмма собственного (беспримесного) полупроводника
при температуре Т=0 К. Уровни валентной зоны (ВЗ) полностью заполнены электронами, уровни зоны проводимости (ЗП) пустые. В соответствие с принципом Паули в одном энергетическом состоянии может находиться только один электрон. С учётом двух возможных значений спина электрона на
рис. 1 на каждом энергетическом уровне изображены 2 электрона. В запрещённой зоне (ЗЗ) отсутствуют разрешенные энергетические уровни. Уровень Ферми Еf находится посередине запрещенной
зоны. При повышении температуры электроны, получая дополнительную энергию, могут переходить
из валентной зоны в зону проводимости, но вероятность таких переходов мала. На рис 1 б) приведена
зонная диаграмма донорного полупроводника или полупроводника n-типа. При введении донорной
примеси в чистый полупроводник в запрещенной зоне появляются новые донорные уровни, заполненные электронами. При нагревании такого полупроводника эле6ктроны с донорных уровней легко
переходят в зону проводимости (см. рис.1). Уровень Ферми находится ближе к зоне проводимости.
Переход электронов из зоны проводимости в валентную зону запрещен принципом Паули, так как в
валентной зоне практически все уровни заняты. На рис 1 в) приведена зонная диаграмма акцепторного полупроводника или полупроводника р-типа. При введении акцепторной примеси в чистый полупроводник в запрещенной зоне появляются новые акцепторные уровни. Эти уровни пустые. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны переходят на акцепторные
уровни, при этом в валентной зоне возникают не заполненные электронами уровни (дырки). Уровень
Ферми находится ближе к валентн6ой зоне. Переходы из зоны проводимости в валентную зону практически не наблюдаются, так как в зоне проводимости практически отсутствуют электроны.
Воспользуемся моделью резкого или ступенчатого p-n-перехода, в котором концентрация примесных атомов скачком изменяется от значения Nа в р-области до значения Nd в n-области. Резкий переход не является структурой, типичной для современных приборов. Тем не менее такая упрощенная
модель позволяет проанализировать наиболее важные характеристики, например вольт-амперные.
Будем рассматривать p-n-переход в состоянии термодинамического равновесия, т.е. при отсутствии внешних воздействий , таких, как внешнее напряжение. Следствием предположения о термодинамическом равновесии является то, что квазиуровень Ферми Еfn=Еfp=Ep постоянен для всего полупроводника.
Весь полупроводник с р-n-переходом можно мысленно разбить на следующие пространственные
области: металлургический контакт (воображаемая плоскость, разделяющая р- и n-области), область перехода (располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10(6) до 10(-4) см в зависимости от технологии производства), и две области-область р-типа и n-типа .
При этом области перехода пренебрегают носителями заряда (рис.3).
3
Рис. 2. Модель резкого p-n-перехода(Xp и Xn- границы области перехода)
Соответствующая диаграмма энергетических уровней для p-n- перехода в равновесном состоянии
представлена на рис 3. На рисунке видно, что квазиуровень Ферми находится ближе к валентной зоне, а в n-области – ближе к зоне проводимости. При переходе от n-области к p-области энергетические уровни изгибаются, образуя ступеньку, которая соответствует наличию потенциального барьера
величиной Uо. При этом ток основных носителей равен току неосновных носителей.
На рис.4 изображены энергетические зоны для p-n-перехода при прямом включении (U>0).
На рисунке видно, что подача внешнего напряжения приводит к смещению квазиуровней Ферми
относительно равновесного положения. При этом величина потенциального барьера уменьшается и
становится равной U0-U, а ширина области перехода также уменьшается. Снижение высоты потенциального барьера позволяет основным носителям пересекать область p-n- перехода, создавая заметный ток.
Таким образом, при прямом включении p-n-перехода электроны зоны проводимости переходят
(инжектируются) из области n-типа в область p-типа, преодолевая высоту потенциального барьера. В
дальнейшем электрон может перейти из зоны проводимости в валентную зону, так как теперь в валентной зоне есть пустые уровни (дырки), следовательно такие переходы не запрещены принципом
Паули. При этом возможно выделение энергии, приблизительно равной ширине запрещенной зоны, в
виде кванта света. Мы рассматриваем такой процесс как рекомбинацию электрона и дырки, сопровождающуюся световым излучением.
Рис.3.Диаграмма энергетических уровней p-n-перехода в равновесном состоянии.
4
Рис.4.p-n- переход при прямом смещении (U>0).
Целью работы является измерение вольт-амперных и временных характеристик светодиодов, включенных в прямом направлении. Ниже описана работа светодиода, состав, принцип работы.
1.2. Светоизлучающий диод (в зарубежной литературе используют аббревиатуру LED-lightemitting diode) представляет p-n- переход, который способен излучать видимый свет при подаче прямого напряжения 1.5-3 В. Существующие диоды излучают красный, зеленый, жёлтый, оранжевый ,
синий и белый свет.
Основным физическим процессом в светоизлучающем диоде является излучение фотонов при
рекомбинации электронов или дырок, которые инжектируются при прямом свещении. Большинство
актов рекомбинации носителей происходит на участке, длина которого равна удвоенной диффузионной длине перехода; именно здесь и происходит излучение света.
Одним из возможных механизмов служит прямой переход из зоны проводимости в валентную
зону. Инжекция электронов в р-область приводит к излучению фотонов с энергией Еg, где Еgширина запрещенной зоны. Могут иметь место и другие переходы на уровни, расположенные в запрещенной зоне. Используются полупроводники с прямыми или близкими к прямым зонам, например арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP и GaP1-x Asx. В таких материалах существует большое число различных квантовых переходов, при которых излучается свет.
По характеристике излучения излучающие диоды можно разделить на две группы: с излучением
в видимой части спектра (собственно светодиоды) и инфракрасной-диоды ИК-излучения являются
оптронные устройства коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления.
1.3.Внутренняя и внешняя квантовая эффективность
Внутренняя квантовая эффективность p-n-перехода определяется отношением числа генерируемых в p-n-переходе в Nфот к общему числу носителей Nобщ, пересекающих переход:
Nвнутр=Nфот/Nобщ .
Внутренняя квантовая эффективность зависит от относительной вероятности излучательных и
безызлучательных переходов. Эта вероятность в свою очередь зависит от структуры перехода, примесных уровней в полупроводнике и от типа полупроводника. В общем смысле внутренняя квантовая эффективность может быть определена как отношение скорости генерации фотонов в полупроводнике к скорости, с которой носители инжектируются в переход.
Такие полупроводники, как кремний, германий и фосфид галлия – это непрямозонные полупроводники. В общих чертах это означает, что электрон, находящийся на нижних уровнях зоны проводимости, имеет импульс, отличающийся от импульса электрона, находящегося на верхних уровнях
валентной зоны. При переходах из зоны проводимости в валентную зону должен выполняться закон
сохранения импульса. Это может происходить, если при рекомбинации рождается фонон (квант упругих колебаний кристаллической решетки). Вероятность одновременного наступления двух событий – рождения фонона и излучение фотона – очень мала. В результате непрямозонных полупровод5
никах преобладают безызлучательные переходы, и внутренняя квантовая эффективность оказывается низкой.
В прямозонных полупроводниках электроны, находящиеся на нижних уровнях зоны проводимости, имеют почти такой же импульс, как и электроны высших энергетических уровней валентной зоны. Следовательно, имеется высокая вероятность излучательных переходов из зоны проводимости в
валентную зону, и внутренняя квантовая эффективность будет высокой. Наиболее хорошо отработанным технологически и проверенным на практике прямозонным материалом является арсенид галлия GaAs, который широко используется в разнообразных полупроводниковых приборах.
Внешняя квантовая эффективность есть отношение числа фотонов Nвыш, вышедших из полупроводника, к общему числу носителей Nобщ, пересекающих переход:
nвнеш=Nвыш/Nобщ .
Три основных эффекта приводят к тому, что nвнеш всегда меньше nвнутр(см.иллюстрацию на
рис.6):
Во-первых, излучение выходит из полупроводника через границу раздела полупроводниквоздух. Только та часть излучения, которая подходит к поверхности полупроводника под углом
меньше угла полного внутреннего отражения Qс, может выйти из полупроводника.
Во-вторых, часть и этого излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух. Этот
эффект известен как френелевское отражение. Коэффициент пропускания, при «просветлении», когда на поверхность полупроводника наносят слой прозрачного материала толщиной в четверть длины волны. Величина коэффициента преломления этого материаладолжна быть больше коэффициента
преломления полупроводника, но меньше коэффициента преломления окружающей среды.
В-третьих, происходит самопоглащение в толще полупроводника между точкой генерации и излучающей поверхностью. Для уменьшения этого эффекта необходимо сократить расстояние между
областью генерации и излучающей поверхностью. Однако при этом появляется опасность, что близкое расположение поверхности с высокой концентрацией ловушечных уровней может вызвать
уменьшение внутренней квантовой эффективности.
Рис.5.основные эффекты, приводящие к уменьшению внешней квантовой эффективности:
1)полное отражение при падении под углом, большим критического
2)френелевское отражение,
3)самопоглащение в толще полупроводника.
1.4Матереиалы для изготовления светодиодов.
Первые образцы светодиодов создавались на основе n-GaAs, р-область в котором образовалась
диффузией цинка Zn.Большое число дефектов в такой структуре возникало с одной стороны, вследствие сильного легирования n- области (n+-p-переход) для достижения достаточной концентрации
электронов в зоне проводимости полупроводника n-типа, и с другой –сильного легирования робласти (так как скорость излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации основных
носителей в р-области). Поэтому внешняя квантовая эффективность таких переходов не превышала
1…2%.
6
Значительно большей внешней квантовой эффективностью (до 20-28%) обладают наиболее распространенные в настоящее время светодиоды, создаваемые эпитаксиальным наращиванием
арсенида галлия (GaAs), легированного кремнием р-типа (Si) на n-тип GaAs. Это обусловлено тем,
что в области, сильно легированной кремнием, переходы происходят с участием применённых уровней, находящихся в запрещённой зоне. При этом излучаются кванты света с энергией 1,31 … 1,34 эВ,
меньшей ширины запрещённой зоны Еg=1.43 эВ нелегированного арсенида галлия, что уменьшает
самопоглощение при выводе излучения через n-область.
В ещё лучшей степени указанные проблемы решаются применением гетеропереходов (p-nпереход, образованный из различных полупроводниковых материалов, например GaAs-Ga1-xAIxAs,
которые характеризуются различной шириной запрещённой зоны з- и n-областей-Egp и Egn). Значение nвнеш, близкое к 1, достигается без необходимости сильного легирования использованием в качестве области излучательной рекомбинации полупроводника (GaAs) c Egp меньшей, чем Egn окружающей его инжектирующей области (Ga1-xAlxAs). Соотношение Egp<Egn обеспечивает и полное
отсутствие самопоглощения в n-области при выводе излучения через неё. Образование p-n-перехода
и изменение Eg производится изменением состава (величины х в химической формуле).
Длина волны, излучаемая светодиодом, зависит от ширины запрещенной зоны, и соответственно от применяемых материалов. В таблице 1 приведены значения ширины запрещённой зоны и излучаемой длины волны для некоторых материалов.
Таблица 1
Материал
Формула
Ширина запрещен- Длина волны
ной зоны
Фосфид галия
GaP
2.24эВ
550 нм
Арсенид алюминия
AlAs
2.09эВ
590 нм
Арсенид галлия
GaAs
1.42
870 нм
Фосфид индия
InP
1.33эВ
930 нм
Арсенид алюминия- AlGaAs
1.42-1.61 эВ
770-870 нм
галия
Арсенид-фосфид
InGaAsP
0.74-1.13 эВ
1100-1670 нм
индия-галлия
Диапазон излучаемых волн для некоторых неорганических материалов:
 Арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) – красные и инфракрасные;
 Арсенид/фосфид-галлия(GaAsP) – красные, оранжевые и желтые;
 Нитрид галлия (GaN) – зелёные;
 Фосфид галлия (GaP) – зелёные;
 Селенид цинка (ZnSe) – синие;
 Нитрид индия-галлия(InGaN) – синие;
 Карбид кремний(SiC) – синие;
 Алмаз(С) – ультрафиолетовые;
Кремний(Si) – находится в стадии разработки./
1.5.Конструкция светодиодов.
Различают два основных типа конструктивного исполнения светодиодов, обеспечивающих ввод
излучения в оптические волокна малого диаметра : светодиоды с излучающей торцевой поверхностью и светодиоды с излучающей боковой гранью. В торцевых излучателях (рис. 6,а) излучающая
область перехода ограничена слоем изолятора, а диаметр металлического контакта обычно составляет 15-100 мкм. Для уменьшения потерь поглощения и обеспечения плотного контакта излучающей
поверхности с торцом волокна слои полупроводника, через которые проходит излучение, должны
быть очень тонкими (10-15мкм).
7
При выводе через боковую грань (рис.6,б) излучение может быть сосредоточено в относительно направленном луче, что повышает эффективность связи светодиода с волокнами, имеющими малый приемный угол.
По аналогии с параметрами nвнутр и nвнеш можно определить квантовую эффективность nвол
для системы источник-волокно, к общему числу носителей, прошедших через p-n-переход светодиода. Квантовая доля излучения, претерпев френелевское отражение на границе раздела воздухволокно, способна пройти в волокно, а также от числовой апертуры и диаметра волокна.
Эффективность системы светоизлучающий диод-оптическое волокно может быть улучшена, если
удастся уменьшить потери на френелевское отражение. Один из способов осуществления этого состоит в следующем. Диод соединяется с волокном клеем, имеющим коэффициент преломления na,
близким по величине к коэффициенту преломления материала волокна. Кроме того, поверхность самого диода просветляется плёнкой толщиной в четверть длины волны. Эти меры могут дать увеличение квантовой эффективности системы источник-волокно на 50%.
В случае, если диаметр волокна превышает диаметр светодиода, помогает согласующая линза.
Обнаружено, что использование волокна со сферическим концом, полученным в результате контролируемого оплавления, увеличивает коэффициент связи светодиода с волокном в 4 раза. При этом
конец волокна выполняет роль линзы. Этот метод чувствителен к точности юстировки (выравнивания) светодиода и волокна.
8
2. Экспериментальная часть
2.1 Цель работы
Измерение вольт-амперных и временных характеристик светодиодов, включенных в прямом направлении.
2.2 Порядок проведения работы
1. Подключить вольтметр к выходным клеммам лабораторного макета.
2.Включить установку тумблером «Сеть».
3.Тумблерами 1-8 выбрать светодиод.
4.Переключателем «ВАХ-Имп» выбрать измерение вольт-амперной характеристики.
5.Вся шкала амперметра-15мА.
6.Меняя напряжение про помощи потенциометра, снять вольт-амперную характеристику светодиода
в прямом направлении.
7.Снять вольт-амперную характеристику для другого светодиода.
8.Результаты занести в таблицу.
9.По результатам измерений построить ВАХ светодиодов.
10. Переключателем «ВАХ-Имп» выбрать измерение импульсной характеристики.
11.Подключить генератор прямоугольных импульсов Г5-54 к выходным клеммам лабораторного макета.
12. Подключить осциллограф к выходным клеммам лаборатоного макета.
13.Параметры импульсов:частоты-100 Гц,1 кГц. 10 кГц, 100 кГц, длительность-10 мкс,100 мкс,1 мс.
14. Определить длительность фронта и спада импульсной характеристики светодиода.
9
2.3 Содержание отчета
Отчет должен содержать блок-схему экспериментальной установки, основные этапы проведения работы, полученные результаты и их объяснение, выводы по работе.
10
3. Контрольные вопросы
1.Механизм излучения света в светодиоде(с рассмотрением зонной диаграммы p-n-перехода).
2. Что такое внутренняя и внешняя квантовая эффективность? Способы их увеличения.
3. Материалы для изготовления светодиодов.
4. Конструкция светодиодов.
5. Особенности светодиодов на гетеропереходах.
6.От чего зависит эффективность ввода излучения в волокно?
11
4.Список литературы
1.Берг А. Светодиоды. М.: Мир, 1979,687 с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. М.: Мир, 1986,600 с.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982,512 с.
12
УДК
Составители: И.И.Нуреев, В.В.Садчиков
Оптические устройства в радиотехнике: Методические указания по выполнению лабораторной работы
«Исследование характеристик светодиодов» для студентов очной формы обучения/
Сост._______________
Предназначено для изучения студентами специальности 210400 и их специализаций по направлению
«Радиотехника»
13