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

Лабораторные работы по электронике

Экспериментальная установка

На рис.5а приведена принципиальная оптическая схема установки для проведения измерений распределения интенсивности в лазерном пучке «методом сканирующего ножа».

Рис.5. Схема установки для измерения распределения интенсивности в поперечном сечении пучка излучения полупроводникового лазера: а – принципиальная схема установки; б – устройство «ножа и щели»; в – схема поворотного узла. 1 – источник излучения, 2 – поворотный столик, 3 – микрометрический винт, 4 – «нож», 5 – приемник излучения, 6 – диафрагма, 7 – пучок лазерного излучения.

При проведении измерений в поперечное сечение лазерного пучка вводится нож, который может перемещаться вдоль оси x. Нож совмещен со щелевой диафрагмой, которая позволяет выделять участок исследуемого пучка излучения равномерный в направлении оси z. Устройство «ножа и щели» схематически показано на рис.5б. Схема поворотного узла детально рассмотрена на рис.5в: нож устанавливается на край поворотного столика, а его перемещение по оси х реализуется при небольшом диапазоне углов поворота. (Движение ножа происходит  по окружности радиуса порядка 40мм и длине дуги порядка 2мм, так что траекторию движения можно с большой точностью аппроксимировать прямой линией).

При повороте столика (путем осторожного и медленного вращения микровинта) нож, двигаясь по координате х, последовательно перекрывает исследуемый пучок. Положение ножа определяется по данным барабана микрометрического винта (МВ), а его смещение по величине перемещения микровинта. Если Lмв- перемещение микровинта, Lн – перемещение ножа, то Lн определяется по формуле:

Lн = Lмв·Rн/ Rcт (3).

Как видно,  установка ножа на поворотном столике позволяет увеличить точность измерения перемещений ножа (Lн) в Rcт/ Rн раз по сравнению с точностью измерения перемещений (Lмв), осуществляемых непосредственно головкой барабана микрометрического винта. Таким образом, данное устройство позволяет двигать лезвие ножа с большой точностью, недостижимой при использовании стандартных механических устройств, осуществляющих сдвиг по прямой линии: при повороте барабана микрометрического винта на одно деление, равное сдвигу на 0.01мм, столик, имеющий радиус вращения 100 мм, поворачивается на угол 0,1 мрад. Линейный сдвиг ножа перпендикулярно оптической оси происходит при этом на расстояние (Lн), которое зависит от Rн - положения ножа относительно оси вращения столика. Устройство ножа устанавливается во время занятия и Rн измеряется перед началом проведения эксперимента.

Измерение потока излучения производится с помощью приемника излучения (элемент 5 на рис.5), представляющего собой фотодиод ФД-24, соединенный с измерительным прибором (мультиметром). Фотодиод работает в фотогальваническом режиме и поток излучения прямо пропорционален току приемника излучения (фототоку).

Порядок проведения эксперимента при Измерении профиля пучка лазерного излучения.

Установить рабочий режим работы источника излучения.

Установить приемник излучения на оптической оси так, чтобы пучок излучения полностью попадал во входное окно приемника. Включить измерительный прибор (мультиметр) на измерение тока.

Установить узел поворотного столика в необходимое положение на оптической оси и установить нож для проведения измерений в соответствии со схемой, изображенной на рис.4а; проверить юстировку оптической схемы – пучок излучения должен полностью попадать на входное окно приемника излучения; измерить расстояние Rн. Лазерный пучок должен проходить через ось вращения поворотного столика.

Оценить диапазон изменения значений барабана МВ, требуемый для получения зависимости Ik(x), и определить сдвиг барабана МВ между двумя измерениями при получении данной зависимости, которая должна содержать необходимое количество экспериментальных точек. Важно! - Количество точек, взятых для построения функции, существенно влияет на точность определения производной от этой функции.

Провести измерения значений Ik, изменяя положение барабана микрометрического винта (МВ). Использовать таблицу для записи экспериментальных данных: столбцы 2 и 5. Начинать измерения удобнее, когда нож полностью перекрывает исследуемую часть лазерного пучка, т. к. в этом случае производная от получаемой функции будет иметь положительные значения.

Показать данные преподавателю.

Таблица 1. Запись и обработка результатов эксперимента при измерении профиля пучка излучения.

№ п/п

Положение барабана МВ, мм

Смещение ножа, Lн, мм

Положение ножа на оси х, мм

Поток излучения вне ножа, Ik, мкА

1

2

3

4

5

1

2

Обработка экспериментальных данных при Измерении профиля пучка лазерного излучения.

Рассчитать смещение ножа (Lн) при проведении измерений – заполнить столбец 3 таблицы, используя формулу (3) в предположении, что при первом измерении Lмв = 0.

Построить зависимость Ik от Lн. – см. рис.6а.

Продифференцировать полученную зависимость и получить функцию I(Lн) – см. рис.6б. Полученная зависимость представляет собой искомое распределение интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения. Дифференцирование проводить численно с помощью компьютера или графически*. (Таблица 2 для записи данных в этом случае может быть сделана в произвольной форме, удобной для проведения вычислений и сопоставления результатов расчета функции I с положением ножа на оси х - данными столбца 4 таблицы 1.)

Рассчитать положение ножа на оси х при проведении измерений, предполагая, что х = 0 при максимальном значении функции I(Lн), и заполнить столбец 4 таблицы 1.

Построить зависимость I(x) (см. рис.6в), которая графически представляет собой искомое распределение интенсивности в системе координат, где оптическая ось совпадает с координатой y.

* Вычислить производную от функции можно с помощью программы ORIGIN, установленной на компьютерах кафедры и в компьютерном классе кафедры, – проконсультироваться с преподавателем.

Рис.6.а – зависимость потока излучения вне ножа (Ik) от смещения ножа (Lн); б – зависимость интенсивности излучения в лазерном пучке (I) от положения ножа (Lн); в – распределение интенсивности излучения в лазерном пучке по координате х при условии, что оптическая ось совпадает с осью y и имеет координаты [0,y,0].

оценка расходимости пучка излучения

Провести измерения профиля пучка излучения на различных расстояниях от выходного окна лазера (y1, y2, y3, и т.д.) – уточнить значения у преподавателя.

Построить зависимость I(x) (см. рис.6в) в каждом случае.

Оценить расходимость пучка излучения по полуширине измеренного распределения интенсивности, как это показано на рис.2 и рис.8.

Примеры обработки экспериментальных данных, полученных при выполнении данной работы, показаны на рис.7 и рис.8.

Рис.7.Профиль пучка излучения при работе полупроводникового источника излучения в режиме светоизлучающего диода и в режиме лазерной генерации.

Рис.8.Данные для проведения оценки расходимости пучка излучения по измерениям профиля пучка на различных расстояниях от выходного окна источника излучения.

ЛИТЕРАТУРА

Y.Suzaki, A.Tachibana. Measurement of the mm sized radius of Gaussian laser beam using the scanning knife-edge//Applied Optics, v.14, No.12, p.2809-2810 (1975).

G.Brost, P.Horn, A.Abtahi. Convenient spatial profiling of pulsed laser beams// Applied Optics, v.24, No.1, p.38-40 (1985).

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Краткие сведения из физики полупроводников.

  Принцип работы диода

 

Полупроводниковые вещества имеют кристаллическую структуру. Во всех твердых веществах атомы неподвижны, т.к. закреплены в узлах кристаллической решетки.

К таким веществам относятся четырехвалентные полупроводниковые  элементы: германий Ge, кремний Si, селен Se и некоторые химические соединения (например, арсенид галия GaAs). Полупроводники, которые не содержат чужеродных атомов, называются беспримесными или собственными полупроводниками. В собственных полупроводниках при комнатной температуре под действием тепла возможна очень малая проводимость этих материалов (т.к. создается и поддерживается относительно невысокая, взаиморавная концентрация электронов проводимости и дырок; концентрация – это количество зарядов в единице объема).

Дырка – это место в кристаллической решетке полупроводника, где недостает электрона.

Чтобы полупроводниковый элемент был пригоден для создания электронного устройства, в него необходимо добавить примесь. Введением в полупроводник соответствующей примеси, т.е. легированием, можно резко увеличить его электропроводность. Примесь обычно вводят с концентрацией N=1014-1017 см3, что существенно превышает концентрацию электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике. При такой концентрации примеси один примесный атом приходится на 106-108 атомов основного вещества, содержащего в 1 см3 около 1023 атомов. Т.е. примеси составляют примерно 1/10 млн долю вещества.

Существует два типа полупроводников c примесями: n–типа и p–типа. Для получения полупроводника n–типа в него добавляют пятивалентный химический элемент, например мышьяк As, фосфор Р, сурьму Sb и т.д. При этом пятивалентные атомы примеси, располагаясь в узлах кристаллической решетки основного вещества, обеспечивают (насыщают) четыре валентные связи, пятый же валентный электрон, являясь лишним в структуре ковалентных связей кристалла, оказываются относительно слабо связанным с соответствующим узлом. Поэтому под действием тепла этот электрон примесного атома отрывается от него и становится электроном проводимости, а сам пятивалентный атом превращается в положительно заряженный ион, который из-за сильных валентных связей с соседними атомами не может свободно перемещаться по кристаллу и быть переносчиком электрического заряда. Положительный ион – это атом, потерявший электрон. Однако, в целом кристалл остается нейтральным, так как положительно заряженные ионы полностью уравновешиваются отрицательными зарядами электронов проводимости.

Такая примесь называется донорной. При введении такой примеси концентрация электронов проводимости в кристалле возрастает и его электропроводность приобретает электронный характер (электропроводность n-типа). В обычных температурных условиях практически все примесные атомы ионизируются, поэтому в равновесном состоянии полупроводника концентрация электронов проводимости примерно равна концентрации примеси.

Наряду с ионизацией доноров, поставляющих электроны проводимости, в кристалле происходит термогенерация пар носителей зарядов: электронов проводимости и дырок. Но дырки в среде с повышенной концентрацией электронов проводимости интенсивно рекомбинируют с ними, поэтому их время жизни, а соответственно и их концентрация оказываются много меньше, чем в собственном полупроводнике.

 Электроны проводимости в полупроводнике n-типа принято называть основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

Если в качестве примеси взять трехвалентный химический элемент, например индий In, галлий Ga, алюминий Al, бор В и т.д., то трехвалентный атом, располагаясь в узле кристаллической решетки, сможет установить (обеспечить) лишь три ковалентные связи с соседними атомами. Отсутствующая четвертая валентная связь у трехвалентного атома, расположенного в узле кристаллической решетки, относительно легко может быть заполнена общим валентным электроном соседней пары атомов. Трехвалентный примесный атом, захвативший дополнительный (четвертый) валентный электрон, превращается в неподвижный отрицательно заряженный ион, а у соседней пары атомов, потерявших один валентный электрон, возникает дырка. Отрицательный ион – это атом, получивший электрон. В дальнейшем дырка под действием тепла, путем последовательного перемещения валентных электронов, начинает хаотически блуждать по всему кристаллу, становясь подвижным носителем положительного заряда.

Такая примесь называется акцепторной. При введении такой примеси концентрация дырок в кристалле возрастает и его электропроводность приобретает дырочный характер (электропроводность р-типа). При обычных температурах почти все примесные атомы ионизируются. В данном случае основными носителями заряда являются дырки. А неосновными – электроны проводимости, возникающие вследствие процесса термогенерации.


На главную