Режим фотопреобразователя при прямом смещении

Допустим, что в схеме, представленной на рис. 3.17, б, мы приложили прямое напряжение к фотодиоду (″+″ на p-область), не освещая его, и снимаем вольтамперную характеристику (рис. 3.17, д, I квадрант, кривая 1).

При прямом смещении ВАХ неосвещенного фотодиода идентична вольтамперной характеристике обычного диода. Данный режим идентичен рассмотренному выше режиму фотопреобразователя, однако, теперь к фотодиоду подключается источник с полярностью, указанной на рис. 3.17, б, так что p-n-переход смещен в прямом направлении. Анализируемому режиму работы фотоэлемента соответствует серия ВАХ, расположенных в I квадранте. Если облучение отсутствует, то увеличение внешнего напряжения U вызывает увеличение прямого тока I за счет диффузионного потока основных носителей, аналогично обычному диоду (кривая 1, I квадрант).

Зафиксируем прямое напряжение U_а (рис. 3.17, д). При облучении в результате увеличения концентрации неосновных носителей, двигающихся за счет дрейфа встречно диффузионному потоку основных носителей, прямой ток фотодиода уменьшается, и ВАХ смещается ²вниз².

При подключении к фотодиоду внешнего прямого напряжения U и облучении потоком Ф ток фотодиода определяется выражением

I(U, Ф) = I_s(e^U/jт – 1) – I_ф. (3.31)

Обратим внимание, что при освещении во всех квадрантах ВАХ фотодиода смещаются ″вниз″, но по разным причинам.

Режим фотогенератора

Фотоэлементом – прибор с выпрямляющим р-n-переходом, предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую.

В данном случае в схеме (рис. 3.17, в, г) отсутствует внешний источник питания. Фотодиод как фотоэлемент работает в двух режимах: холостого хода ХХ (в) и короткого замыкания КЗ (г).

В режиме холостого хода (рис. 3.17, в) ток через фотодиод отсутствует (внешний источник и нагрузка не подключены). Если облучение отсутствует, то на контактах фотодиода напряжение, естественно, равно нулю U_ф = 0.

По мере облучения фотодиода заряд носителей, перешедших через переход (²+² дырок - слева, ²-² электронов - справа), возрастает. За счет этих зарядов образуется дополнительная разность потенциалов между границами p-n-перехода – возникает фото-ЭДС (²+² в р-области). Другими словами, в режиме ХХ (при I = 0) при освещении на границах p-n-перехода появляется заряд, а, значит, на контактах А и К облучаемого фотодиода появляется ЭДС, называемая фото-ЭДС (полярность указана на рис. 3.17, в).

По мере увеличения светового потока Ф (лм) и накопления указанного заряда, напряжение холостого хода U_хх, отмечаемое на правой части оси абсцисс (рис. 3.17, д), возрастает. Другими словами, точки пересечения ВАХ с осью напряжения U (при токе, равном нулю) соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжения холостого хода при различных световых потоках Ф.

Фото-ЭДС, равная напряжению U_хх(Ф), не может превышать контактной разности потенциалов Dj₀: для кремниевых фотодиодов максимальное напряжение U_хх не превышает 1 В.

В режиме короткого замыкания (рис 3.17, г) контакты фотодиода замыкаются накоротко. В отличие от предыдущего случая, через диод идет ток, так что значениям токов короткого замыкания при различных уровнях освещенности соответствуют точки пересечения ВАХ с нижней осью токов (ось ординат).

В режиме короткого замыкания напряжение между контактами А и К фотодиода равно нулю, но ток в диоде равен фототоку, т.е.
I = - I_ф = -S_iФ. В режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Плотность тока короткого замыкания у кремниевых фотоэлементов при освещенности солнечным светом обычно 20-25 мА/см².

Поскольку в режиме работы фотоэлемента фотодиод подключается к произвольной нагрузке (резистор сопротивлением 0 < R < ¥ обозначен пунктиром на рис. 3.14, г), то реальные случаи включения фотоэлемента описываются ВАХ, лежащими в IY квадранте (рис. 3.17, д, обозначены пунктиром). С учетом этих ВАХ при различных освещенностях можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, и таким образом определить оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность.

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения (фотоприемники), элементы солнечных батарей и т.п.

Люксметр - прибор, включающий в себя фотодиод, подключенный к вольтметру, который проградуирован в единицах освещенности Е (люкс).

К основным характеристикам фотодиодов можно отнести: диапазон длин волн активного излучения; интегральную чувствительность S_i, темновой ток I_т и постоянную времени t.

Обозначение фотодиода состоит из букв ФД и номера разработки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность S_i = 0,5 мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи с небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним или расположенным в одном корпусе вместе с фотоприемником.

3.5.4. Описание установки

Схема измерения представлена на рис. 3.18. Генератор 1 импульсного электрического сигнала вырабатывает периодический сигнал для включения светодиода 2. Частота f , период T повторения импульса изменяется с помощью плавной и ступенчатой регулировки на генераторе 1.

Рис. 3.18. Блок-схема испытаний

Световой сигнал светодиода 2 облучает фотодиод 6 (ФД), фоторезистор 3 или приемный элемент (фотодиод) люксметра 5.

Если импульсный свет облучает фотодиод, работающий в режиме фотогенератора, то на контактах ФД появляется импульс ЭДС U_хх (напряжения холостого хода), регистрируемый осциллографом 4. Форма импульсного сигнала ЭДС фотодиода близка к прямоугольной, время импульса t_и определяется как длительность импульса на уровне 0,5U₀ (рис. 3.19, д).

При испытании фоторезистора 3, последний включается в цепь постоянного тока (рис. 3.18). Источник 7постоянного ЭДС Е_п предназначен для формирования тока в цепи фоторезистора. В том случае, когда импульсный свет падает на фоторезистор 3, в цепи возникает импульсный фототок (рис. 3.19, в), обусловленный модуляцией (изменением) проводимости материала.

Сила тока через фоторезистор может быть измерена приборами, который включается последовательно с фоторезистором.

Если в цепи фоторезистора протекает постоянный фототок, то можно использовать амперметр постоянного тока. Если фототок – импульсный, то следует применять амперметр электромагнитной системы, измеряющий действующее значение тока.

Если амперметр отсутствует, то ток в цепи фоторезистора может быть оценен по результатам эксперимента. В данном случае последовательно с фоторезистором включено измерительное сопротивление R_изм = 3000 Ом, с которого снимается напряжение U_Rизм, которое имеет постоянную (в отсутствие импульса света) и импульсную составляющую (при импульсном облучении). Форма напряжения U_Rизм регистрируется с помощью осциллографа 4. Зная параметры ЭДС Е_п источника питания постоянного тока, величину тока I_ф, протекающего в цепи фоторезистора, величину измерительного резистора R_изм, можно рассчитать значение сопротивления фоторезистора R_ф= по постоянному току при различных условиях облучения.

Рис. 3.19. Осциллограммы импульсных сигналов

Светодиод 6, который управляется электрическим импульсом от генератора, заключен в корпус (вилку) стандартного разъема (радиочастотного соединителя). Оптический сигнал от светодиода передается через оптико-волоконный кабель к фотодиоду или фотосопротивлению с помощью второй половины (розетки) стандартного разъема, закрепленного на корпусе блока (рис. 3.18).

Для определения освещенности, которую создает излучение светодиода на поверхности фотодиода или фоторезистора, может использоваться люксметр 5, с помощью которого производится контроль освещенности объектов (в люксах) на градуированном приборе.

С помощью осциллографа можно измерить параметры импульсного светового сигнала, к которым относятся: период сигнала (импульса) Т, частоту сигнала f = 1/Т,время импульса t_и, величины скважности q = T/t_и и заполнения импульсов g = 1/q; время переднего фронта t_ф, время среза t_с (задний фронт) (рис. 3.19, д).

В первом приближении световой поток Ф(t) оптического импульса (рис. 3.19, а) светодиода 2 имеет форму прямоугольного сигнала.

Фотодиоды являются быстродействующими оптическими фотоприемниками, в которых время рекомбинации носителей мало (время жизни t - микросекунды и доли микросекунд), поэтому, как правило, импульс фото-ЭДС U_хх, снимаемый с фотодиода, характеризуется малыми временами переднего фронта и среза (рис. 3.19, б, д).

Для фоторезисторов характерны значительные времена рекомбинации носителей, а, значит, большие значения постоянной времени t (до миллисекунд). Поэтому, когда происходит облучение фоторезистора, передний фронт и срез импульса тока, протекающего при импульсном облучении, будут отличаться от прямоугольной формы (рис. 3.19, г, д), т.к. неравновесные носители заряда появляются и исчезают по экспоненциальному закону, описываемому соотношениями (3.7) и (3.8).

Заметим, что через время, равное (4-5)t после прекращения облучения, процесс рекомбинации носителей полностью завершен (рис. 3.5, д).

Протекая через измерительное сопротивление R_изм (рис. 3.18), импульсный фототок I_ф(t) (рис. 3.19, в) создает на данном резисторе импульсное напряжение U_R(t) (г), пропорциональное току I_ф(t). Форма и параметры этого напряжения, подаваемого вход Y осциллографа, могут быть изучены в процессе испытаний.

Поскольку при импульсном освещении средний фототок отличается от темнового тока, в целом фототок I_ф(t) и напряжение U_R(t) имеют постоянные (I_ф=; U_R=) и переменные (I_ф≈; U_R≈) составляющие (рис. 3.19, в, г, д), которые могут быть оценены независимо.

Методика определения значений постоянных и переменных составляющих с помощью осциллографа описана ниже.

Величина t может быть рассчитана из соотношения (3.23) и оценки формы напряжения U_R≈(t) импульсного сигнала, снимаемого с резистора R_изм и пропорционального фототоку фоторезистора I_ф≈(t).

Согласно процедуре, описанной выше, постоянная времени t рассчитывается как время, в течение которого напряжение импульсного U_R≈(t) сигнала уменьшается в е (2,71) раз от максимального значения, наблюдаемого на экране осциллографа (рис. 3.15, е; 3.19, д): U_R≈(t₀)/U_R≈(t₀ + t) = 2,71.

Световой поток Ф, падающий на фотодиод, определяется:

Ф = ЕS, лм, (3.32)

где Е - освещенность, лк, S – площадь чувствительной поверхности фотодиода, S » 10^–6 м^3.

Величина удельной интегральной чувствительности фотодиода может быть оценена по соотношениям (3.26) – (3.27).

Конструкция стенда может быть представлена следующим образом (рис. 3.20). В состав схемы входят следующие кабели:

I – контроль выходного сигнала (подключается к осциллографу к входу Y; может иметь синхронизирующий контакт, подключаемый к входу Х);

II – кабель питания импульсного светодиода от генератора импульсов.

III – кабель питания (постоянное напряжение до 15 В) от источника постоянного напряжения к гнезду питания фоторезистора.

IY – оптико-волоконный кабель для передачи светового сигнала от источника (светодиода) к приемнику излучения (фотодиоду или фоторезистору).

Электрический импульсный сигнал от генератора (рис. 3.18) поступает на светодиод. Фотодиод и фоторезистор, помещенные в розетки корпусов радиочастотных разъемов, облучаются оптическими импульсами светодиода.

Рис. 3.20. Блок фотодиода и фоторезистора с кабелями

В зависимости от положения переключателя П (рис. 3.6) к осциллографу подключаются фотодиод или резистор R_изм, напряжение на которых анализируется по осциллограммам.

Подготовка к работе

Лабораторная работа относится к теме: ″Фотоприемники″, ″Фотодиоды″. Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).

В "заготовке" к работе следует описать:

– механизмы фотоэлектрических явлений, понятие о времени жизни носителей; формулы, описывающие измерение фототока со временем;

– строение, характеристики, параметры фоторезистора и влияние различных факторов;

– строение, характеристики, параметры фотодиода и влияние различных факторов;

– схему опыта и методы определения времени жизни носителей;

– осциллограммы сигналов на фотодиоде и фоторезисторе при облучении;

– методику расчета t;

– применение фотоприемных устройств: люксметр, солнечные батареи, оптоэлектронные пары и другие;

– таблицы для испытаний.

Измерения и обработка результатов

1. Установление начальных значений приборов.

Установите на осциллографе следующие примерные значения:

– делитель (Д) -100; усиление (У) - 10 мВ/дел. Амплитуда сигнала определяется: N (дел)×У×Д = N×1000 мВ; – развертка (Р): 10 мс/дел; множитель (М): 0,3. Время сигнала определяется: N (дел)×Р×М = N×2 с.

Источник питания фоторезистора выключен.

2. По разрешению преподавателя включите осциллограф и прогрейте его в течение не менее 2 мин. Включите генератор электрических импульсов и прогрейте его в течение 2 мин. Установите начальную частоту 15 - 20 Гц (режим: прямоугольный импульсный сигнал).

Подключите к выходу генератора кабель питания 2 импульсного светодиода, не подключая его к блоку фотодиода и фоторезистора. При прогретом генераторе должно быть видно отчетливое мигание светодиода, по мере увеличения частоты генератора мигание светодиода "прекращается" вследствие инерционности глаза.

Плавно изменяя частоту f электрических импульсов, определите предельную максимальную частоту f_мах, ниже которой глаз воспринимает сигнал как прерывистый, импульсный (табл. 3.8) и выше которой глаз воспринимает световой сигнал как непрерывный.

Проведите испытание не менее трех раз и рассчитайте среднее значение f_{мах ср.}

Таблица 3.8.

Параметр	fмах, Гц	fмах, Гц	fмах, Гц	fмах ср, Гц
Значение	?	?	?	?