Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Эксперимент состоит из двух частей. В первой части необходимо измерить потери светового жгута и построить индикатрису светопропускания. Блок-схема установки для проведения эксперимента приведена на рис.3.

В эксперименте в качестве источника излучения (ИИ) используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 650 нм. Диафрагма (Д) ограничивает сечение лазерного  пучка до размеров входного торца жгута. Торец жгута может поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет менять угол падения лучей, входящих в жгут. Интенсивность входящего в жгут и выходящего из него излучения измеряется приемником излучения (ПИ).

 


Рис.3.Оптическая схема установки для измерения пропускания светового жгута. ИИ – источник излучения, Д – диафрагма, ПИ – приемник излучения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Измерение индикатрисы пропускания светового жгута

1. Измерить интенсивность падающего на торец жгута излучения при   

. Зарегистрировать зависимость интенсивности вышедшего из жгутаизлучения от угла   угол между осью световода и падающим на его торец лучом). Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1. Данные для построения индикатрисы  пропускания светового жгута.

 I0 = 

 


Определение частотно-контрастной характеристики светового жгута

 


Рис.4.Оптическая схема установки для исследования частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) светового жгута: 1 – плоскость входного торца жгута, 2 – плоскость выходного торца жгута. ИИ – источник излучения, Р – рассеиватель (матовое стекло), О – объектив (оптическая система), ПИ – приемник излучения.

Лазерный пучок распространяется вдоль оптической оси системы, на которой установлены рассеиватель (матовое стекло) и элемент миры, содержащий набор штрихов определенной частоты. Изображение элемента миры, установленного на оптической оси, строится объективом О в плоскости входного торца жгута. Изображение, сформированное на входном торце, передается на выходной торец. Качество изображения на выходе жгута определяется его параметрами.

Матовое стекло и мира представляют собой единый узел, который может перемещаться по горизонтали перпендикулярно оптической оси установки. В работе используется штриховая мира, штрихи которой имеют прямоугольный профиль (см. рис.5).

 Распределение интенсивности в изображении элемента миры измеряется приемником излучения (ПИ) с измерительной щелью. Для более точного измерения контраста в изображении миры ширина измерительной щели должна быть в несколько раз меньше периода штрихов данного элемента миры.

 


Рис.5.Пропускание элемента миры с прямоугольным и синусоидальным профилем штрихов.

Для определения частотно-контрастной характеристики светового жгута необходимо измерить max и min значения тока измерительного прибора приемника излучения, которые пропорциональны max и min значениям интенсивности в изображении штрихов миры.

Для этого в лазерный пучок устанавливается участок миры с наименьшей частотой штрихов

Для трех соседних штрихов, сдвигая узел миры по горизонтали, измеряется max и min значение интенсивности в изображении этих штрихов. Измерения необходимо проводить на входе жгута (в плоскости 1) и на выходе (в плоскости 2).

Далее в лазерный пучок необходимо установить участок миры с большей частотой штрихов (сдвигом узла миры по горизонтали) и повторить измерения по п.2.

Аналогичные действия проделать для всего набора пространственных частот миры, рекомендуемых преподавателем. Результаты измерений занести в таблицу 2. Реомендуется провести все измерения сначала для плоскости 1, потом для плоскости 2.

 Светоизлучающими диодами (светодиодами) называются полупроводниковые приборы с p–n-переходом, предназначенные для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного оптического излучения. В основе принципа их действия лежит рекомбинационное излучение – излучение квантов света (фотонов) при рекомбинации пар электрон – дырка. Для интенсивной рекомбинации необходимо одновременно иметь высокую плотность электронов в зоне проводимости и высокую плотность свободных уровней (дырок) в валентной зоне. Такие условия создаются при высоком уровне инжекции электронов в дырочный полупроводник.

 Зонная диаграмма прямосмещенного p–n-перехода с эмиттером электронов представлена на рис. 1. При прямом смещении p–n-перехода внешнее поле Eвн (возникшее за счет падения части напряжения источника питания U на p–n-переходе) частично компенсирует контактное Eк. Энергия электронов в области эмиттера n+-типа увеличивается, уровень Ферми WF поднимается, высота потенциального барьера уменьшается qe(φ0-U) и наблюдается высокий уровень инжекции электронов в базу р-типа. Электроны в базе являются неосновными носителями и создают неравновесный заряд, сосредоточенный вблизи границы p–n-перехода на расстоянии порядка средней длины диффузии электронов в базе Ln. Для сохранения электрической нейтральности из глубины базы подтягиваются дырки. Таким образом, вблизи границы p–n-перехода создается избыточная концентрация электронов и дырок, что приводит к их интенсивной рекомбинации с испусканием квантов света hν.


Однако через прямосмещенный p–n-переход диффундируют не только электроны, но и дырки из p-области. Это приводит к увеличению рекомбинации электронов и дырок в p–n-переходе и в эмиттере и снижению концентрации электронов в базе. Кванты света, возникающие в глубине полупроводника, частично поглощаются в полупроводнике, что снижает квантовый выход. Поэтому необходимо уменьшить дырочный ток через p–n-переход, используя эмиттеры с коэффициентом электронной инжекции γn = In/(In+Ip), где In – электронный, Ip – дырочный ток, близким к единице.


На главную