Основы оптоэлектроники

Задача 1

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

Исходные  данные

• Тип фотоприемника – фотодиод с барьером Шоттки

 

Решение

     Фотодиод  с барьером Шоттки. Устройство и энергетическая диаграмма этого диода показаны на рисунке 1. На поверхности кристалла кремния нанесена тонкая (около 0,01 мкм) пленка золота, покрытая тонкой (около 0,05 мкм) пленка диэлектрика (сернистого цинка), образующей так называемое просветляющее покрытие. Вследствие различия коэффициентов преломления кремния, золота и сернистого цинка луч света с определенной длины волны, отражаясь от границ раздела этих пленок, проникает с очень малыми потерями через металлическую пленку в кристалл кремния. Так, например, при прохождении светового потока, полученного гелий-неоновым лазером

(l » 0,63 мкм), теряется лишь 5% мощности. 

Рисунок 1 – Устройство (а) и энергетическая диаграмма (б) фотодиода с барьером Шоттки 

     Если  энергия фотона hn >DЕ, то в кристалле кремния у его поверхности, наблюдается собственное поглощение. Образовавшиеся электроны дрейфуют в поле перехода, создавая фототок.

При высоких  обратных напряжениях энергия движущихся в запирающем слое частиц может оказаться  достаточной для разрыва валентных связей (ударная ионизация). В этом случае может возникнуть процесс лавинного размножения носителей заряда, характерный для лавинного пробоя перехода.

Это явление  используется в так называемых лавинных фотодиодах, основой которых может  служить не только барьер Шоттки, но и обычный р-n переход.

     Вольт-амперная характеристика фотодиода с барьером Шоттки изображена на рисунке 2:

     

     Рисунок 2 – ВАХ фотодиода с барьером Шоттки 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задача 2

    Определить  длинноволновую границу фотоэффекта l_гр и фоточувствительность приемника. Изобразить вид спектральной характеристики фотоприемника и указать на ней l_гр. 

Исходные  данные

• Тип материала – Ge;
• Квантовая эффективность h = 0,2;
• Ширина запрещенной зоны DW = 0,6 эВ.

 

Решение

     Длинноволновая  гранича фотоэффекта определяется как:

     

 мкм

     Излучение, с длиной волны, превышающей указанное  значение. Не будет регистрироваться фотоприемником.

     Фоточувствительность  приемника на граничной длине  волны определяется как:

       А/Вт 

     Спектральная  характеристика фотоприемника изображена на рисунке 3

     

     Рисунок 3 – 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, указанной в исходных данных. Результаты оформить в виде таблицы истинности. 

Исходные  данные

• Цифра, заданная для индикации – «2»

 

Решение

     Принципиальная  схема включения семисегментного полупроводникового индикатора изображена на рисунке 4

Рисунок 4 – Принципиальная схема включения семисегментного полупроводникового индикатора 

     По  сути, семисегментный индикатор есть не что иное, как восемь светодиодов расположенных в определенной ориентации. Семь светодиодов образуют сегменты выводимого символа.

     Каждый  из сегментов имеет свое буквенное  обозначение. Сегменты именуются в  алфавитном порядке по часовой стрелке, начиная с верхнего, которому соответствует символ. Взаимное расположение сегментов изображено на рисунке 5.

     

     Рисунок 5 – Взаимное расположение сегментов 

     Дешифратор  преобразует исходный цифровой код  в потенциалы, равные логической единице, необходимые для свечения каждого сегмента. Результаты отображения цифры «2» сведены в таблицу 1

Таблица 1 – Входной двоичный код и состояния выходов дешифратора.

 

     Отображение заданной цифры показано на рисунке 6 

     

     Рисунок 6 – Отображение заданной цифры 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задача 4

     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

• Тип светодиода – АЛ102В;
• Напряжение питания U_пит = 5 В;
• Номинал ограничительного сопротивления R_огр = 510 Ом

 

Решение

     Схема включения светодиода изображена на рисунке 7

Рисунок 7 – Схема включения светодиода 

     Для определения силы света необходимо рассчитать прямой ток, протекающий  через светодиод. Прямой ток рассчитывается по закону Ома:

     

мА 

     По  справочным данным на светодиод АЛ102В определяем силу света при прямом токе I_пр = 4,3 мА:

• I_и = 0,06 мкд

     Максимум  спектрального распределения для  светодиода АЛ102В находится на длине волны l_m = 0,7 мкм, что соответствует зеленому свечению.