Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 576 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики 
полупроводников 

СЮ. Юрчук 
СИ. Диденко 
Г.И. Кольцов 

Полупроводниковые 
оптоэлектронные приборы 

Л а б о р а т о р н ы й практикум 

Одобрено редакционно-издательским 
советом института 

Москва 
Издательство «УЧЕБА» 
2 0 0 6 

УДК 621.383 
Ю83 

Рецензент 
д-р. физ.-мат. наук, проф. А.Н. Ковалев 

Юрчук С.Ю., Диденко С.И., Кольцов Г.И. 
Ю83 
Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Лаб. практикум. – М.: МИСиС, 2006. – 63 с. 

Лабораторный практикум включает описание принципов работы основных оптоэлектронных полупроводниковых приборов: фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов и др. Представлены схемы измерения и 
методики расчета основных параметров и характеристик оптоэлектронных 
приборов. 

Для усвоения предлагаемого материала необходимо иметь базовые знания по курсам «Физика твердого тела», «Физика полупроводниковых приборов», «Квантовая и оптическая электроника». 

Предназначен для студентов специальности 210104 (2001) «Микроэлектроника и твердотельная электроника» (специализация «Физика и технология 
интегральных микросхем и полупроводниковых приборов»). 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

СОДЕРЖАНИЕ 

Основные правила техники безопасности при выполнении 
лабораторных работ 
4 

Лабораторная работа 1. Изучение характеристик фотодиодов 
6 

Лабораторная работа 2. Фотоэлектрические преобразователи 
энергии 
20 

Лабораторная работа 3. Изучение основных характеристик 
биполярных фототранзисторов 
40 

Лабораторная работа 4. Изучение характеристик оптронов 
49 

3 

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ 

БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ 

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

Выполнение лабораторных работ связано с использованием электрорадиоизмерительных приборов и стендов, являющихся источниками повышенной опасности, так как некоторые элементы их находятся под высоким напряжением. Поэтому к лабораторным работам 
студенты допускаются только после инструктажа по технике безопасности, о получении которого должны свидетельствовать их личные подписи в специальном журнале. 

Студенты, работающие в лаборатории, обязаны руководствоваться инструкциями и всеми дополнительными указаниями преподавателей о соблюдении мер безопасности при работе с установками. 
Выполнение работ в отсутствии преподавателя или лаборанта запрещается. 

Студенты, не выполняющие правил техники безопасности или 
допускающие их нарушения в отношении других лиц, отстраняются 
от выполнения работ. 

Запрещается загромождать рабочее место посторонними предметами (сумками, портфелями, чемоданами, одеждой) и приборами, не 
относящимися непосредственно к выполняемой работе. 

Перед выполнением практической части лабораторного задания 
необходимо внимательно ознакомиться с описанием работы, схемой 
включения приборов, обратив особое внимание на цепи, находящиеся под повышенным напряжением. 

Прежде чем включать в сеть электрорадиоизмерительные приборы и стенды, необходимо убедиться в наличии надежного зануления 
корпусов приборов. Работа с незануленными или неисправными 
приборами, установками и стендами, не имеющими защитных кожухов, запрещается. 

Первое включение собранной схемы, а также ее включение после 
внесения изменений производится только с разрешения преподавателя или лаборанта. 

Пользоваться кабелями питания с поврежденной изоляцией проводников, вилок, разъемов, а также поврежденными штепсельными 
розетками запрещается. 

Все производимые в схеме установки изменения, снятие испытуемых приборов и переключения должны осуществляться только в 

4 

полностью обесточенных цепях. После подачи напряжения прикосновение к открытым токоведущим частям схемы или исследуемых 
полупроводниковых приборов запрещается. 

При пользовании переносными электрорадиоизмерительными 
приборами (например, тестерами) последние должны располагаться 
на стеллажах или столах. Запрещается во время измерений держать 
эти приборы в руках или на коленях. 

Запрещается оставлять без надзора включенные установки и приборы. 

Запрещается бесцельное хождение пo лаборатории, посторонние 
разговоры, отвлечение других от выполняемой работы. 

При обнаружении неисправности в оборудовании (погасание индикаторной дампы, искрение, дым и т.п.) или резком зашкаливании 
измерительных приборов необходимо принять меры к немедленному 
обесточиванию приборов и устранению неисправности вместе с преподавателем или лаборантом. 

Если произошел несчастный случай, необходимо немедленно отключить установку от сети, сообщить о случившемся преподавателю 
иди лаборанту и оказать первую помощь пострадавшему. 

5 

Лабораторная работа 1 

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОДИОДОВ 

1.1. Цель работы 

Изучить основные физические принципы работы и параметры полупроводниковых фотодиодов, измерить их характеристики. 

1.2. Введение 

В приборах, работающих на фотовольтаическом эффекте, создаются потенциальные барьеры для подвижных носителей заряда, генерированных излучением, с помощью которых происходит разделение носителей зарядов. Рассмотрим некоторые особенности работы 
фотоприемников с потенциальным барьером, созданным различными 
методами. 

Когда оптическое излучение падает перпендикулярно плоскости 
р–n-перехода, поглощение квантов происходит в различных областях 
структуры. Коротковолновые фотоны с большим коэффициентом 
поглощения генерируют электронно-дырочные пары вблизи поверхности. Эти носители заряда за счет диффузии движутся либо к поверхности, либо к области пространственного заряда, поэтому коротковолновая часть спектральной характеристики будет определяться 
их временем жизни на поверхности и в объеме фронтальной области. 
Для повышения чувствительности в коротковолновой области желательно располагать p–n-переход ближе к освещаемой поверхности и 
увеличивать время жизни носителей заряда. Длинноволновая граница спектральной чувствительности прибора определяется временем 
жизни носителей заряда в тыльной (базовой) области и коэффициентом поглощения, соответствующим краю полосы основного поглощения. На фотоприемник с p–n-переходом можно подать обратное 
смещение и увеличить область пространственного заряда за счет квазинейтральной области; при этом растет фоточувствительность прибора и у длинноволнового края. Однако при подаче обратного смещения возрастает темновой ток, увеличиваются шумы и ухудшаются 
пороговые характеристики. На рис. 1.1 приведены спектральные характеристики кремниевого фотоприемника в зависимости от внешнего смещения, а на рис. 1.2 – спектральная характеристика фотодиода 
с различной толщиной освещаемой области. 

6 

SI, мА/Вт 

300 

200 

100 

0,4 
0,6 
0,8 
1 
λ, мкм 

Рис. 1.1. Зависимость спектральной характеристики фотоприемника 
от внешнего смещения 

5'i, отн. ед 

X, мкм 

Рис. 1.2. Зависимости спектральных характеристик фотоприемных 
p–n-структур от толщины освещаемой области 

7