Безкоштовно

Фотодатчики і фотодіоди (лабораторні)

views 72

Готовий звіт з лабораторних робіт

з дисципліни: «Оптоелектронні пристрої»

на тему: «Фотодатчики і фотодіоди»

Вступ

Світлодіод (англ. LED – light-emitting diode) — це напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спекту до близької до ультрафіолету . Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіоди були удосконалені до лазерних діодів, які працюють на тому ж принципі, але можуть напрямлено випромінювати когерентне світло.

Вперше інфрачервона емісія з напівпровідникових елементів, була зареєстрована Рубіном Браунштейном, працівником компанії Radio Corporation of America в 1955, який використовував арсенід галію (GaAs) та інші напівпровідникові сплави. Але перший світлодіод, тобто прилад, що дає випромінювання на напівпровідниковому переході, при пропусканні через нього електричного струму, як і патент на нього, був отриманий працівниками компанії Texas Instruments – Бобом Б’ярдом і Гарі Пітманом, в 1961 році. Згодом, світлодіоди що працюють на GaAs та GaP (фосфід галію), почали виготовлятися комерційно – для використання в якості індикаторів. Перший світлодіод, який працює у видимому діапазоні, був розроблений групою Ніка Голоняка, в компанії General Electric, в 1962 р.

Еволюція світлодіодів у 1960-1970-х рр., поступово привела до створення світлодіодів, що мають колір від червоного до зеленого, – постійно відштовхуючи межу у сторону коротких хвиль. Іншим напрямком роботи, було підвищення ефективності світлодіодів. Найбільш популярними матеріалами були GaP (червоний – зелений) та GaAsP (жовтий – високоефективний червоний). При цьому з’явилося багато нових застосувань світлодіодів (у калькуляторах, цифрових годинниках, тестових приладах). Хоча надійність свілодіодів завжди перевищувала надійність ламп розжарювання, неонових ламп і т.п., відсоток вибраковки ранніх пристроїв був набагато вищим. В тому було винне ручне збірання того часу. Індивідуальні оператори виконували вручну такі завдання, як розподіл епоксидної смоли, розміщення її крапельки в потрібну позицію, змішування епоксидної смоли. Це призводило до дефектів, таких, наприклад, як “витік епоксидної смоли”, яка викликала підтікання, та інколи навіть скорочення p-n переходу. Окрім цього, високі числа дефектів в кристалі, підкладці і епітаксійному шарі, призводили до зменшеної ефективності і коротшої тривалості життя пристрою.

На початку 1980-х, з появою нового матеріалу – GaAlAs (галій-алюмінієвий арсенід), почалася революція у виробництві світлодіодів. GaAlAs дозволив підвищити ефективність у 10 разів, що привело до нових використань: у зовнішніх знаках та написах, зчитуванні штрих-коду, передачі даних через оптичне волокно, у медичному обладнанні. Але GaAlAs працював тільки у червоній ділянці спектру (660 нм) та мав короткий час життя (більш 50% падіння ефективності після 100 000 годин роботи). Частина цих проблем була вирішена завдяки появі лазерних діодів, які стали комерційно виготовлятися у 1980-х роках. Використання технологій, розроблених для лазерних діодів, дозволило зробити наступний стрибок виробникам світлодіодів . Однією з таких технологій, стало створення нового люмінесцентного матеріалу InGaAlP, який зробив можливим плавне настроювання кольору, за рахунок настроювання ширини забороненої зони. Так світлодіоди всіх можливих кольорів видимого спектру, почали виготовлятися за однією технологією, та значно зменшилась деградація приладів, навіть за умов високих температур та вологості.

Наступним кроком у розвитку, стала розробка компанією Toshiba методу нанесення MOCVD (метал–оксидне хімічне парове нанесення, Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), який зробив можливим створення більш складний пристроїв, з ефективністю до 90% (тобто 90% електроенергії може бути перероблене на світло). В той самий час, корпорація Nichia запропонувала перші блакитні світлодіоди, працюючі на GaN (нітриді галію), InGaN (індій-галій-нітриді) та SiC (карбіді кремнію). Згодом з’явилися і перші білі світлодіоди, які комбінували три основні кольори. Але вони швидко були замінені широкополосними білими світлодіодами, які мають вторинний флюоресцентний шар.

Одним з кроків стало також створення “Лабораторією фундаментальних досліджень”, компанії NTT, світлодіода, що випромінював хвилі в ультрафіолетовій частині спектру, завдовжки 210 нм. Випромінювання з такою короткою довжиною хвилі, знайшло широке застосування в медицині і техніці. Відомо, що невидиме для людського ока ультрафіолетове випромінювання, має знезаражуючий ефект. Окрім того, ці світлодіоди змогли замінити червоні лазерні діоди, при читанні даних з оптичних дисків, чим забезпечили подальше збільшення густини запису.

Сучасні напрямки розвитку, включають розробку органічних світлодіодів (які повинні дозволити виробництво дешевих та екологічно безпечних пристроїв), використання квантових точок (які дозволяють отримувати біле світло), та просування далі у короткохвильову область.

Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є p-n перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямку, носії заряду — електрони і дірки, рекомбінують, з випромінюванням фотонів.

Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло, при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль, – від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC), світло практично не випромінюють. Втім, у зв’язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи зі створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом, великі надії пов’язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

Ефективність світлодіодів найбільше проявляється там, де потрібно генерувати потужні кольорові світлові потоки (світлові сигнали). Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні оптичні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синю, зелену). 90% енергії світлового потоку, від лампи рожарювання, втрачається, при проходженні свтла через світлофільтр. Усі ж 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом і в застосуванні світлофільтра немає потреби. Більше того, близько 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання, витрачається на її нагрів, – для досягнення потрібної колірної температури (шкала Кельвіна), на яку вони спроектовані.

Світлодіодні лампи споживають від 3% до 60% потужності, необхідної для звичайних ламп розжарювання, аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів), дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях. Світлодіоди не бояться частих вмиканнях і вимикань. Термін служби світлодіодної лампи — більше 100 000 годин (більше 11 років).

Використовуючи світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовують у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла (інформаційні табло, світлофори, ліхтарики, гірлянди тощо).

Лабораторна робота №1. Тема: «Отримання діаграми спрямованості інфрачервоного діоду за експериментальними даними»

Мета роботи: Отримати діаграму спрямованості інфрачервоного діоду за експериментальними даними в горизонтальній площині.

Обладнання: Джерело живлення +5В, модуль інфрачервоного приймача, інфра- червоний пульт ДК, транспортир, рулетка.

Відстань Кут Кут
19 0 0
17,5 -15 +15
16 -30 +30
14 -45 +45
11 -60 +60
4,5 -75 +75
0 -90 +90

Діаграма спрямованості інфрачервоного діоду в горизонтальній площині

Висновок: На цій лабораторній роботі я побудував графік спрямованості випромінювання інфрачервоного діоду у горизонтальній площині. По обидві напрями відстань приблизно однакова.

Лабораторна робота №2. Тема: «Отримання діаграми спрямованості інфрачервоного діоду за експериментальними даними»

Мета роботи: Отримати діаграму спрямованості інфрачервоного діоду за експериментальними даними в вертикальній площині.

Обладнання: Джерело живлення +5В, модуль інфрачервоного приймача, інфрачервоний пульт ДК, транспортир, рулетка.

Відстань Кут Кут
20 0 0
23 -15 +15
20,5 -30 +30
15 -45 +45
14 -60 +60
3,5 -75 +75
0 -90 +90

Діаграма спрямованості інфрачервоного діоду в вертикальній площині

Висновок: На цій лабораторній роботі я побудував графік спрямованості випромінювання інфрачервоного діоду у вертикальній площині. По обидві напрями відстань відрізняється і можна спостерігати випуклість графіку на 15 градусах.

Лабораторна робота №3. Тема: «Дослідження поглинання інфрачервоного діоду різним середовищем»

Мета роботи: Дослідити поглинання інфрачервоного діоду в залежноісті від товщини перешкоди.

Обладнання: Джерело живлення +5В, модуль інфрачервоного приймача, інфра- червоний пульт ДК, транспортир, рулетка, листи А4, кювета, барвники.

В якості загородження ми використовували листи звичайної бумаги формату А4 з товщиною листа 0,35мм. При цьому поступово збільшували їх кількість.

Кіл-ть листів Ширина загородження Відстань
39 13,65 36
34 11,9 53
29 10,15 63
24 8,4 68
19 6,65 72
14 4,9 76
9 3,15 98
5 1,75 225

Висновок: На цій лабораторній роботі я визначив залежність ширини загородження від відстані. Ми можемо помітити що залежність відстані і ширини загородження зв’язані прямопропорційно і графік має прямолінійний характер.

Лабораторна робота №4. Тема: «Дослідження поглинання інфрачервоного діоду різним середовищем»

Мета роботи: Дослідити поглинання інфрачервоного діоду в залежноісті від товщини перешкоди.

Обладнання: Джерело живлення +5В, модуль інфрачервоного приймача, інфра- червоний пульт ДК, транспортир, рулетка, листи А4, кювета, барвники.

Вид барвника Відстань
Барвник відсутній 16 см
Розчин перманганата калія насичений 11 см
Розчин перманганата калія середньої насиченості 10 см
Розчин перманганата калія ненасичений 9 см
Розчин чіфіру насичений 10 см
Розчин чіфіру середньої насиченості 9,5 см
Розчин чіфіру ненасичений 9 см

Висновок: На цій лабораторній роботі ми досліджували поглинання інфрачервоного діоду різним середовищем. У якості зміни середовища ми використовували різні концентраціїї різних барвників. В ході експерименту ми помітили, що розчин перманганату калію є кращим фільтром і має меншу пропускну спроможність.

Лабораторна робота №5. Тема: «Дослідження оптичних фільтрів»

Мета роботи: Дослідити вплив оптичних фільтрів на інфрачервоне випромінювання пульту дистанційного керування.

Обладнання: Джерело живлення +5В, модуль інфрачервоного приймача, інфрачервоний пульт ДК, транспортир, рулетка, набір оптичних фільтрів.

Колір оптичного фільтра Еффект від фільтра
Зелений Мав найсильніший вплив на інфрачервоний модуль. Він майже повність приглушував хвилю, яка надходила до приймача, на стандартній відстані. Але при зменшенні відстані до 1 сантиметра сигнал починав надходити знову.
Помаранчевий Майже не впливав на роботу інфрачервного модуля. Це можна пояснити тим, що довжина хвилі випромінювання майже збігаеться с пропускною довжиною хвилі фільтра. Відстань до приймача не змінювалася.
Синій Мав деякий вплив на інфрачервоний модуль та його приймач. Відстань не зазнала великих змін, але ми спостерігали погіршення яскравості світимості індикатора приймача.
Жовтий Фільтр мав незначний вплив на інфрачервоне випромінювання модуля. Коли його використовували як перешкоду то індикатор приймача мерехтів, але з більшим періодом ніж без фільтра. При цьому не спостерігалося зменшення відстані до приймача.

Висновок: На цій лаборатоній роботі я досліджував вплив оптичних фільтрів на сигнал інфрачервоного випромінювання. Під час дослідження ми помітили, що найкращим фільтром є зелений, а найменш впливовим був помаранчевий тому, що його він пропускає довжину хвиль яка є майже рівною довжиною хвилі котрої випромінує наш пульт дистанційного керування.

Написати коментар:

Ваша пошт@ не публікуватиметься. Обов’язкові поля позначені *