Контрольная работа по дисциплине: Устройство оптоэлектроники. Вариант №14

Изобразить структуру фотоприемника. Изобразить ВАХ фото-приемника. Дать определение основным параметрам. Пояснить принцип работы фотоприемника.
Таблица 1. Варианты и типы фотоприемников
Вариант Тип фотоприемника (ФП)
4 Лавинный фотодиод
Оптоэлектроника - это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации.
Одним из путей создания быстродействующих фотоприемников с высокой чувствительностью является использование лавинного пробоя, в частности создание лавинных фотодиодов. Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно-дырочных пар, то начинается лавинообразный процесс размножения носителей. Процесс размножения начинается с генерации носителей под действием излучения, т. е. имеем фотодиод с лавинным размножением носителей.
Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного размножения:
Ki = Iф / Iф0,
где Iф — ток на выходе фотодиода с учетом размножения; Iф0— ток при отсутствии размножения.
Таким образом, коэффициент лавинного размножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления, фототока.
Известно, что коэффициент размножения зависит от напряжения на переходе:
Ki = 1 / [1 — (U / Uпроб)m],
где Uпроб - пробивное напряжение; U - напряжение на р - n переходе; m – коэффициент, учитывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (m=1,5 ̧ 2 для кремния р - типа; m=3,4 ̧ 4 для кремния n – типа).
Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде:
Iф = Iф0 / [1 — (U / Uпроб)m].
Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов характеризуется временами переключения 10-8...10-9 с, а произведение коэффициента усиления фототока Ki на полосу частот достигает рекордных значений: Kifгр » 1011 Гц. Предельно реализуемое значение Ki, может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигнуто. Ki » 103...104, а для германия его величина обычно не более 102. У кремниевых и арсенидгаллиевых приборов ниже уровень шумов.
В режиме лавинного фотоумножения успешно опробованы практически все диодные структуры: р+ – n, р – i – n, n – р – i – р+ , барьер Шоттки.

Рисунок 1 Лавинный фотодиод: а) структура;
б) распределение поля в структуре.
Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Это связано с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока Ki резко зависит от напряжения. Поэтому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего напряжения путем термостатирования. Лавинным фотодиодам присущ большой разброс параметров у отдельных образцов.
Высокие рабочие напряжения, низкий КПД преобразования затрудняют их использование в микросхемах.
Таблица 5 Параметры лавинных фотодиодов.
 Наименование l , мкм S, А/вт М t б, нс СФ, нФ Uобр, В Примечание
1 ФД-317Л 0,85 50 - 2-3,5 2 70-400 Si
2 ФД-322Л 1,3
1,55 10 - 0,2 1 < 40 Ge
3 ФД-323Л 1,3
1,55 8-10 - 0,22 1 30-50 Ge, термо-электрический холодильник, Рпот < 0,5 Вт
4 ЛФД-150 1,06
1,3
1,55 7-108 - 0,5 - 30-40 Ge
5 ЛФД-200 1,06
1,3
1,55 67,57 - 1 - 30-40 Ge
6 ЛФД-300 1,06
1,3
1,55 343,5 - 0,07 - 30-40 Ge
7 ЛФДГ-70 1,06
1,3
1,55 5-20
25-35
22-35 - - 0,6-0,7 30-40 Ge
8 ЛФДГ-70Т 1,06
1,3
1,55 40-45 - - 0,8-0,9 30-40 Ge
9 ЛФДГ-70ТЛ 1,3
1,55 32-45 - - 0,8-0,9 30-40 Ge

Задача No 2
Определить длинноволновую границу фотоэффекта l гр и фоточувствительность приемника. Изобразить вид спектральной характеристики фотоприемника и указать на ней l гр.
Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 2.
Таблица 2. Варианты и данные фотоприемников
Вариант Тип ПП материала Квантовая эффектив-ность, h Ширина запрещен-ной зоны D W, эВ
1 Si 0,7 1,12

гр=1,24/ΔW=1,24/1,12=1,11 мкм
гр – длина волны, выше которой излучение перестает существовать;
W – ширина запрещенной зоны.

Определим фоточувствительность Sф :





Задача No3
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 (таб.3).

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.













По типу подключения существуют два вида индикаторов - с общим анодом (ОА) и с общим катодом (ОК).

Таблица 3. Входной двоичный код и состояния выходов дешифратора.
Номер варианта Входной код Состояние выходов дешифратора
 23 22 21 20 А ¢ В ¢ С ¢ Д ¢ Е ¢ F ¢ G ¢
последняя цифра пароля (4)  0 1  0 0   1 0  0  1  1  0  0

Задача No 4
Изобразить схему включения светодиода, с указанием полярности включения источника питания Uпит и номинала ограничительного сопротивления Rогр . Рассчитать какую силу света обеспечивает светодиод, при заданных Uпит и Rогр. Определить длину волны соответствующую максимуму спектрального распределения. Исходные данные Вашего варианта указаны в табл. 4.
Таблица 4. Варианты и исходные данные задачи No4
No варианта Тип светодиода Напряжение питания Uпит, В Номинал ограничительного сопротивления, Ом
1 АЛ316А 9 680

Схема включения светодиода



Для того чтобы определить какую силу света обеспечивает светодиод, при заданных Uпит и Rогр , необходимо найти Iпр сид . Для этого построим линию нагрузки :
при Iпр сид = 0 , U пр сид = Uпит = 9 В,
при U пр сид = 0, Iпр сид = Uпит/Rогр= 9/680 = 13,2 мА




13,2



1,75

Найдем Iпр сид при заданных Uпит и Rогр :
Iпр сид = (Uпит – Uпр сид )/Rогр= (9 – 1,75 )/680 = 10,7 мА
По зависимости силы света I0 = F( Iпр сид ) определим какую силу света обеспечивает светодиод

Типовая зависимость силы света от прямого тока
Сила света I0 = 0,5мкд.


Длина волны соответствующая максимуму спектрального распределения
λ=0,67 мкм.


Литература:
1. Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам.
http://moskatov.narod.ru
2. А.И. Солдатов, В.С.Макаров, П.В.Сорокин Лабораторный практикум «Исследование индикаторов».Методические указания к лабораторным работам. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 102 с.
3. Названов В.Ф. Основы оптоэлектроники. – Саратов: Изд-во. Сарат. ун-та,1980

2016 год, работа зачтена