Laboratorium Elektroniki cz I 5

Ćwiczenie 6

PÓŁPRZEWODNIKOWE PRZYRZĄDY OPTOELEKTRONICZNE

6.1.    Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z: teorią wyjaśniającą działanie oraz z podstawowymi modelami, budową i parametrami technicznymi przyrządów optoelektronicznych, takich jak fotorezystor, fotodioda, fototranzystor, fotoogniwo, dioda elektroluminescencyjna oraz transoptor. Program ćwiczenia obejmuje zdejmowanie charakterystyk statycznych oraz wykorzystanie tych pomiarów do wyznaczania parametrów technicznych badanych przyrządów.

6.2.    Wprowadzenie

Półprzewodnikowe przyrządy optoelektroniczne można podzielić na:

•    Fotodetektory (czujniki promieniowania świetlnego);

•    Fotoemitery (źródła promieniowania świetlnego);

•    Transoptory (przyrządy złożone z wzajemnie sprzężonych fotodetektora i foto-emitera).

6.2.1. Fotodetektory

Przez pojęcie fotodetektora rozumiemy przyrząd półprzewodnikowy przetwarzają; cy energię promieniowania świetlnego na sygnał elektryczny. Wyróżniamy tu przyrządy bezzłączowe (fotorezystory), jednozłączowe (fotodiody, fotodiody lawinowe, fotoogniwa) i wielozłączowe (fototranzystory, fototyrystory). Podstawą działania fotodetektorów jest zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, polegające na powstawaniu w półprzewodniku nadmiarowych nośników prądu elektrycznego, w postaci par elek-tron-dziura w wyniku absorpcji promieniowania świetlnego. Swobodne nośniki prądu powstające w wyniku tego zjawiska mogą spowodować wzrost konduktywności materiału półprzewodnikowego noszący nazwę fotoprzewodnictwa lub powstanie napięć® fotowoltaicznego w złączu p-n, nazywane efektem fotowoltaicznym wewnętrznym. ■

Natomiast w półprzewodniku domieszkowym, w sytuacji gdy domieszki nie są zjonizowane (lub nie wszystkie są zjonizowane), mamy do czynienia z absorpcją przez atomy domieszek donorowych lub akceptorowych (fotoprzewodnictwo donorowe). W efekcie takiej jonizacji uwalniane są odpowiednio elektrony lub dziury. Zjawisko to może zachodzić, gdy energia fotonów jest większa od energii jonizacji Wj domieszek: hv 2 Wj. W tym przypadku próg absorpcji X' (zależność (6.2)) będzie znacznie większy niż dla fotoprzewodnictwa samoistnego, gdyż energia jonizacji domieszek jest znacznie mniejsza od szerokości pasma zabronionego: W₍ « W_g.

(6-2)

fotoprzewodnictwa

powered by

Mi siol

2ja wisko

Zjawisko fotoprzewodnictwa polega na generacji nośników prądu na skutek ab-jorpcji promieniowania elektromagnetycznego. W półprzewodniku samoistnym oraz _w sytuacji gdy wszystkie domieszki są zjonizowane, mamy do czynienia z absorpcją _rniędzyP^asmową (fotoprzewodnictwem samoistnym), która może zachodzić tylko yytedy. gdy energia fotonów jest większa od szerokości pasma zabronionego: fiv 2 Wg. Oznacza to, że istnieje pewna maksymalna długość fali X padającego promieniowania zwana progiem absorpcji opisana zależnością (6.1), która jeszcze może wywołać bezpośrednią generację par elektron-dziura:

1,234

X = —.

max _w 6

W_g[eV]

[pm]

(6.1)

h-c 1,234

Wj Wj[eV]

Wymaga to jednak obniżenia temperatury pracy takich detektorów.

W przypadku gdy w całej objętości półprzewodnika zachodzi w sposób jednorodny generacja nośników prądu, zmianę konduktywności materiału można określić następującą zależnością:

Acr = q • (m, • g_p • t_p + p„ • g_n • Tn)    (6-3)

^9dzie: 9_P.n - prędkości generacji nadmiarowych dziur i elektronów; tp,_n - czasy życia nośników nadmiarowych.