МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
Высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения»
Кафедра №23 Кафедра проектирования и технологии
электронных и лазерных средств
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
«Исследование полупроводниковых фотодиодов»
Санкт-Петербург, 2015 г.
Цель работы. Изучение свойств фотодиодов, используемых в оптических системах связи и оптоэлектронике, определение их параметров и характеристик.
Описание лабораторного стенда.
В состав лабораторного стенда входят три исследуемых фотодиода и три полупроводниковых лазера, соответственно, с l = 0.85, 1.3 и 1.55 мкм. Каждый из лазеров включается индивидуально выключателем на задней панели лабораторного стенда, а выходная мощность лазера может плавно регулироваться от » -4 дБм до -30 дБм с помощью потенциометра, расположенного ниже на передней панели. С помощью переключателя П1 фотодиоды могут быть подключены к резистивной нагрузке имеющей два разных номинала. Соотношение положений переключателя и нагрузки ФД сведены в таблицу 1.
Таблица 1
| Положение переключателя П1 | ||||||
| Фотодиод | ФД1 | ФД1 | ФД2 | ФД2 | ФД3 | ФД3 |
| Сопротивление Rн | 10 кОм | 100 кОм | 10 кОм | 100 кОм | 10 кОм | 1 МОм |
Оптическое излучение от лазера к фотоприемнику передается по волоконно-оптическому кабелю. Питание лазеров осуществляется от источника постоянного напряжения с амплитудой 10 В, а напряжение смещения ФД подается от регулируемого источника напряжения, амплитуда которого может меняться в пределах от 5 до 40 В. (Источники в состав стенда не входят).
В состав лабораторной установки также входят:
1. Комбинированный электрический измерительный прибор М238.
2. Измеритель оптической мощности (ИОМ).
Порядок выполнения работы.
Определение величины темнового тока.
1.1. Подключить (согласно маркировке на проводах) лабораторную установку к источнику питания лазеров и источнику смещения ФД.
1.2. Установить напряжение смещения ФД - 5 В.
1.3. Подключить к клеммам «Милливольтметр» комбинированный прибор. Установить его переключатель в положение 20 мВ (или 200 мВ).
1.4. Закрывая попеременно ФД1, ФД2 и ФД3 темным колпаком и переключая П1, соответственно, в положения 2,4,6 зафиксировать значения темнового напряжения.
1.5. Учитывая величину сопротивления нагрузки для каждого ФД рассчитать величину темнового тока. Данные измерений и расчетов внести в таблицу 2.
Таблица 2
| Фотодиод | ФД1 | ФД2 | ФД3 |
| Uтемн, мВ | |||
| Iтемн, мкА |
Исследование зависимости чувствительности ФД от мощности входного оптического излучения и длины волны.
2.1. Тумблером на задней панели включить ЛД1.
2.2. Соединив оптическим кабелем ЛД1с ИОМ потенциометром выставить значение оптической мощности –20 дБм. При этом обязательно включить в ИОМ соответствующую длину волны.
2.3. Выставить напряжение смещения 5 В, подключить ФД1 к нагрузке 10 кОм и милливольтметру. Для этого переключить П1 в положение 1. Соединив оптическим кабелем ЛД1 и ФД1 зафиксировать значение напряжения на милливольтметре.
2.4. Данные измерения занести в таблицу 3.
Таблица 3.
| Uсмещ ФД = 5 В | Выходное напряжение,мВ | ||||||||
| Выходная оптическая мощность, дБм | ЛД1 | ЛД2 | ЛД3 | ||||||
| ФД1 | ФД2 | ФД3 | ФД1 | ФД2 | ФД3 | ФД1 | ФД2 | ФД3 | |
| -20 | |||||||||
| -15 | |||||||||
| -10 |
2.5. Проделать аналогичные измерения подключив ФД2 и ФД3.
2.6. Для всех ФД проделать аналогичные измерения при выходной оптической мощности ЛД1 = - 15 дБм.
2.7. Для всех ФД проделать аналогичные измерения при выходной оптической мощности ЛД1 = - 10 дБм.
2.8. Выполнить пункты при напряжении смещения 10 В. Данные измерений занести в таблицу 4.
Таблица 4.
| Uсмещ ФД = 10 В | Выходное напряжение,мВ | ||||||||
| Выходная оптическая мощность, дБм | ЛД1 | ЛД2 | ЛД3 | ||||||
| ФД1 | ФД2 | ФД3 | ФД1 | ФД2 | ФД3 | ФД1 | ФД2 | ФД3 | |
| -20 | |||||||||
| -15 | |||||||||
| -10 |
Исследование зависимости чувствительности ФД2 от напряжения смещения.
3.1. Тумблером на задней панели включить ЛД2.
3.2. Соединив оптическим кабелем ЛД2 с ИОМ потенциометром выставить значение оптической мощности –20 дБм. При этом обязательно включить на панели ИОМ соответствующую длину волны.
3.3. Выставить напряжение смещения 15 В, подключить ФД2 к нагрузке 10 кОм и милливольтметру. Для этого переключить П1 в положение 3. Соединив оптическим кабелем ЛД2 и ФД2 зафиксировать значение напряжения на милливольтметре.
3.4. Выполнить аналогичные измерения для напряжений смещения 20, 25, 30, 35, 40 В. Внимание! Свыше 40 В напряжение смещения не увеличивать.
3. 5. Данные измерения занести в таблицу 5.
Таблица 5.
| Uсмещ ФД | ||||||
| Выходное напряжение,мВ |
1. Расчеты и графики.
4.1. Для выходной оптической мощности – 20 дБм рассчитать чувствительность всех ФД для всех длин волн. Результаты расчетов внести в таблицу 6.
Таблица 6
| Чувствительность фотодиодов | |||
| Длина волны, мкм | ФД1 | ФД2 | ФД3 |
| 0.85 | |||
| 1.3 | |||
| 1.55 |
4.2. Для ФД1 на l = 1.3 мкм рассчитать и построить зависимости чувствительности от входной оптической мощности для смещений 5 и 10 В.
4.3. Для ФД2 рассчитать и построить зависимости чувствительности от напряжения смещения 5 - 40 В.
Содержание отчета.
Отчет по лабораторной работе должен содержать;
- цель работы;
- результаты измерений и расчетов;
- заданный графический материал;
- выводы по результатам работы.
Вопросы для самопроверки
1. Как работает фотодиод на p-n переходе? Его недостатки
2. Принцип работы и достоинства p-i-n фотодиода
3. Что такое токовая монохроматическая чувствительность фотодиода?
4. Что такое быстродействие фотодиода? От каких факторов зависит этот параметр?
5. Причины появления темнового тока. От чего зависит его величина?
6. Спектральная характеристика фотодиода. Чем ограничивается спектральная чувствительность ФД?
7. Принцип действия ЛФД.
8. Достоинства и недостатки ЛФД.