- •Исследование свойств p-n переходов в приборах оптоэлектроники
- •0717000 – Физика и техника оптической связи
- •Содержание
- •1. Введение
- •2. Описание редактора «Electronics Workbench»
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Общие правила работы с редактором
- •3.2. Функциональный генератор (Function Generator)
- •3.3. Осциллограф (Oscilloscope)
- •3. Контрольно - измерительные приборы
- •3.1. Мультиметр (Multimeter)
- •3.4. Плоттер (Воde Рlоtter)
- •4. Теоретическая часть работы
- •4.1. Вольт-амперная характеристика p-n перехода
- •4.2. Дифференциальное сопротивление p-n перехода
- •4.3. Частотные свойства p-n перехода
- •5. Часть 1: исследование вольт - амперной
- •5.1. Составление измерительной схемы
- •5.2. Сборка схемы на рабочем столе ewb
- •5.3. Выбор параметров измерительной цепи
- •5.4. Задание к части 1 лабораторной работы
- •5.5. Порядок выполнения часть 1 лабораторной работы
- •6. Часть 2: измерение дифференциального сопротивления p-n перехода
- •6.2. Задание к части 2 лабораторной работы
- •6.3. Порядок выполнения части 2 лабораторной работы
- •7. Часть 3: измерение времени релаксации
- •7.1. Задание к части 3 лабораторной работы
- •Порядок выполнения части 3 лабораторной работы
- •8. Часть 4: излучающие свойства p-n перехода
- •8.1. Задание к части 4 лабораторной работы
- •8.2. Порядок выполнения части 4 лабораторной работы
- •9. Отчет по лабораторной работе
- •10. Литература
4.2. Дифференциальное сопротивление p-n перехода
Кроме
описания перехода как плоского
конденсатора емкостью
одним из важных параметров, характеризующих
качество изготовленного перехода,
является его дифференциальное
сопротивление, обозначаемое как
.
Физически оно представляет собой
сопротивление элемента, оказываемое
им протеканию слабого переменного тока.
Учитывая то, что слабое переменное
напряжение часто используется в
радиоэлектронных цепях так тестовое,
введение дифференциального сопротивления
оказывается во многих случаях доминирующим
для оценки возможностей использования
данного элемента в той или иной
электрической цепи. Математическое
определение дифференциального
сопротивления элемента, находящегося
при постоянном напряжении
,
таково
.
Физически
его можно измерить, если наряду с
постоянным напряжением к исследуемому
элементу приложить малое переменное
напряжение амплитудой
,
частотой
и регистрировать величину протекающего
через элемент тока
на
этой же частоте. Тогда согласно определению
сопротивления из закона Ома найдем:
.
(2)
Ясно, что величина дифференциального сопротивления зависит как от частоты, на которой оно измеряется, так и от величины постоянного напряжения, приложенного к элементу. Из выражения (2) следует и различие между дифференциальным сопротивлением и сопротивлением, измеряемым на постоянном токе: они разнятся так же, как производная от функции, вычисленная в точке, отличается от среднего значения этой функции при одном значении аргумента - в нашем случае при заданном постоянном напряжении на переходе.
Пользуясь выражением для ВАХ перехода (1), подвергнутого одновременному действию произвольного постоянного и малого переменного напряжения, нетрудно определить его дифференциальное сопротивление:
поскольку
обычно
,
т.е. прикладываемое постоянное напряжение
по своей величине обычно во много раз
больше амплитуды переменного тестового
сигнала. Окончательно имеем:
(3)
Из
данного выражения следует, что величина
дифференциального сопротивления резко
уменьшается в области прямых смещений
(положительных напряжений, открывающих
переход). Оно максимально в точке
В. В области же обратных смещений данное
выражение недействительно ввиду того,
что исходное выражение для ВАХ p-n
перехода не дает экспоненциальной
зависимости тока в этой области
напряжений. Поэтому для запирающих
напряжений дифференциальное сопротивление
вычисляется по выражению (3), когда
:
(4)
4.3. Частотные свойства p-n перехода
Как
и всякий электронный прибор, в котором
имеется перенос носителей заряда через
область их регистрации, p-n
переход должен обладать некоторой
инерционностью протекания процесса
переноса. Обнаружить инерционные
свойства перехода можно при подаче на
него переменного напряжения различной
частоты: p-n
переход будет не успевать реагировать
на него, если частота напряжения превысит
некоторый характеристический параметр,
определяемый параметрами p-n
перехода. Этим характеристическим
параметром является время
перезарядки его емкости
.
Ёмкость перехода образована p-
и n
– областями, разделенными областью
обедненного заряда и имеет собственную
проводимость. Для исследования частотных
свойств p-n
перехода необходимо включить его
в запорном направлении и приложить
синусоидальный сигнал с амплитудой
,
не превышающей напря-жение постоянного
смещения на переходе. Как и в предыдущей
части лабораторной работы, амплитуду
тестового напряжения
рекомендуется брать меньше величины
.
Тогда получим (рис. 1)
,
где
-
импеданс p-n
перехода, который складывается из
активного дифференци-ального сопротивления
и емкостного сопротивления
.
Следовательно Рис. 1
,
где
- мнимая единица. Если сопротивление
нагрузки значительно меньше
дифференциального сопротивления
,
то снимаемое с нагрузки переменное
напряжение будет комплексной величиной
Использование в качестве измерителя амплитуды квадратичного детектора дает на его выходе постоянное напряжение величиной
.
(5)
Здесь
-
время перезарядки емкости перехода
через его дифференциальное сопротивление.
Согласно данному выражению (5), изменяя
частоту тестового сигнала от меньшего
значения к большему, получим изменение
величины постоянного напряжения
,
снимаемого с сопротивления нагрузки
,
от постоянного на низкой частоте к
уменьшающемуся по закону
на высоких частотах. Из полученной
частотной зависимости может быть найдена
частота
,
на которой
и падение напряжения на сопротивлении
нагрузки уменьшается в
=1.41-
раза по сравнению с его значением на
низких
частотах, например, на частоте 10
Гц. Частота, на которой величина
постоянного напряжения
уменьшается в указанное число раз,
называется частотой среза -
.
Из
значения частоты среза определяют
время релаксации заряда в p-n
переходе:
.
(6)
С другой стороны, время перезарядки емкости p-n перехода через его дифференциальное сопротивление может быть найдено из выражения:
.
(6.1)
Следовательно, если известны значения емкости и дифференциального сопротивления p-n перехода, то имеется возможность вычисления времени перезарядки и сравнения теоретического и экспериментального значений этого параметра p-n перехода.
На физическом уровне время релаксации перехода равно времени жизни неравновесных носителей заряда в p-n переходе. По его величине можно определить, например, инерционность фотоприемного устройства на основе барьерной фотоэдс p-n перехода.
