LTH: FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK Komponentfysik för E Laboration: Optokomponenter Utförd datum Inlämnad datum Grupp:... Laboranter:...... Godkänd datum Handledare: Retur Datum: Återinlämnad Datum: Kommentarer VT-09
Förberedelseuppgifter för laborationen: Optokomponenter Uppgift 1: a) För optokomponenter är bandgapet mycket viktigt. Skissa hur emission och absorption ser ut som funtion av energi för en lysdiod respektive fotodiod av samma material. b) I ett vanligt system med en fjärrkontroll så har man en lysdiod av GaAs och en fotodiod av Si. Hade det fungerat med en lysdiod av Si och en fotodiod av GaAs? Varför / varför inte? c) Skissa utseendet på en ström-spänningskurva för en diod i mörker. Skissa samma kurva vid belysning. d) För att göra en diod så känslig som möjligt som fotodiod, hur ska man designa den med avseende på utsträckningen på de neutrala områdena och dopningskoncentrationer. Antag att man belyser den från sidan, d.v.s. vinkelrätt mot pn-över-gången. e) Hur kan man öka känsligheten för en given fotodiod? f) Skriv upp sambandet mellan våglängden och energin på en foton. Förberedelseuppgifterna ska göras innan laborationen och lämnas in till handledaren vid laborationens början av varje laborant. Det är obligatoriskt för att få göra laborationen.
FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK LTH Frågekatalog: Optokomponenter Nedanstående frågor är en hjälp för vad du behöver kunna inför laborationen. Ju fler av frågorna du kan svara på före laborationen, desto mer behållning kommer du att ha av laborationen. Det kommer dessutom att vara lättare att både genomföra laborationen och att skriva laborationsrapporten. 1. Varför uppstår stationärt tillstånd i laddningsbärarkoncentrationen vid konstant belysning? 2. Definiera excitationstäthet. 3. Hur uppkommer den inbyggda spänningen i en pn-övergång? 4. I vilka områden* av en pn-övergång i termisk jämvikt gäller massverkans lag? 5. Rita en bandmodellskiss för en pn-övergång i termisk jämvikt. 6. Hur uppkommer det elektriska fältet i en pn-övergång i termisk jämvikt? 7. Hur stor måste fotonenergin minst vara för att ge excitation av elektroner från valensbandet till ledningsbandet? 8. I vilka områden* i en diod sker den excitation som ger upphov till fotoströmmen? 9. Beskriv hur tomgångsspänningen uppkommer vid belysning av en pn-övergång. 10. Vilket samband I = f (U) gäller för en pn-övergång i mörker? 11. Rita ström-spänningskurvor (I-U kurvor) för en pn-övergång i mörker och vid belysning. 12. Vilken förändring sker i en pn-övergångs backström vid belysning? 13. Hur beror kortslutningsströmmen för en pn-övergång på fotonintensiteten? 14. Rita den del av I-U kurvan för en pn-övergång som representerar det arbetsområde inom vilket den belysta pn-övergången kan leverera elektrisk effekt. * Neutrala p-sidan, neutrala n-sidan och rymdladdningsområdet.
FASTA TILLSTÅNDETS FYSIK LTH Komponentfysik för E Optokomponenter I modern elektronik används både elektriska och optiska signaler för överföring av information. Därför behövs det komponenter som kan omvandla informationen mellan dessa två typer av signaler. Sådana komponenter är dels den typ som överför elektriska signaler till optiska, ljus ut, t.ex. som utnyttjar ljusemission (luminiscens), och dels den typ som arbetar i omvända riktningen, ljus in, och därvid utnyttjar fotoeffekter i halvledare. Förutom att fungera som optiska detektorer kan den senare typen av komponenter användas för att överföra ett mönster av infallande ljus, d.v.s. en bild, till ett motsvarande elektriskt mönster och därmed utnyttjas för lagring, omvandling eller överföring av bilder. Andra användningsområden för optokomponenter är TV-överföring, optisk kommunikation, optokopplare (isolatorer), displayer etc. I laborationen studeras båda typerna av optokomponenter. Laborationens omfattning 1. Mätning av emission och absorption hos en eller flera lysdioder 2. Solcellens I-U kurva och dess optimala arbetspunkt 3. Tillverkning och analys av en GaP-diod Den här laborationen är baserad på kapitel 5: Optokomponenter i kompendiet. Kunskaper om pnövergången är också viktigt för förståelsen. Målsättning När du har gått igenom denna laborationen, vet du hur lysdioder och fotodioder fungerar. Du har också lärt dig kopplingen mellan absorption och emission. Dessutom har du lärt dig hur viktigt det är att man optimerar belastningsresistansen som en solcell är inkopplad till, för att maximalt effektuttag ska erhållas. Förberedelser inför laborationen Här följer en kort genomgång av en del viktiga begrepp. Gå igenom dessa och lös förberedelseuppgifterna. Var beredd att redovisa uppgifterna för de andra laboranterna. Läs även igenom utförandedelen och gör dig bekant med de begrepp som tas upp där. 1. Emission och absorption hos en lysdiod
Spektral känslighet Med spektral känslighet avser man kortslutningsströmmens variation med infallande fotonenergi (eller våglängd) för en diod. Kortslutningsströmmens storlek bestäms av hur många elektron-hål par som varje infallande foton producerar och hur många fotoner som träffar dioden. Antalet genererade elektron-hål par per volymenhet kallas excitationstäthet. Den undre energigränsen för sådan produktion bestäms av materialets bandgap. För att få en kraftig fotoström måste fotonenergin överstiga bandgapet. Detta kallas fundamental excitation. Figur 1. (a) Då fotonens energi understiger bandgapets kan fotonen inte absorberas av materialet och inga elektroner eller hål skapas. Då fotonens energi är lika stor eller större så kan en elektron och ett hål skapas. Figur 1a) visar hur en foton med en energi som understiger bandgapets försöker lyfta en elektron från valensbandet. Eftersom energin är för liten för att lyfta hela vägen till ledningsbandet så händer inget och fotonen fortsätter genom halvledaren utan att absorberas. I b) har fotonen tillräckligt med energi för att lyfta en elektron från valensbandet till ledningsbandet. Därigenom skapas en fri elektron (i ledningsbandet) och ett fritt hål (i valensbandet). Fotoström Här förutsätter vi att energin hos det infallande ljuset är tillräckligt stor för att en fundamental excitation ska kunna ske, d.v.s. ljusets energi är tillräcklig för att lyfta elektroner direkt från valensbandet till ledningsbandet. En infallande fotonintensitet (eller fotonflödestäthet), d.v.s. antalet fotoner som per tidsoch ytenhet träffar en halvledare kallas Φ 0. Fotonintensiteten Φ(x) i materialet på avståndet x från ytan kan skrivas som: " = " 0 #e $%x [m -2 ] (1) Inträngningsdjupet 1/α bestäms av absorptionskoefficienten α, som för varje material beror på det infallande ljusets våglängd (eller energi). Vi kommer under laborationen att se prov på denna effekt. Normalt är absorptionskoefficienten mycket låg för våglängder motsvarande energier under bandgapet. Över bandgapet ökar absorptionskoefficienten betydligt, vilket leder till ett kortare inträngningsdjup. Ekvation (1) visar att fotonintensiteten avtar från ytan. Det sker mestadels genom att fotonerna lyfter elektroner från valensbandet till ledningsbandet. Det skapar elektron-hålpar, med fria elektroner och fria hål. Antalet elektron-hålpar som genereras är direkt proportionellt mot fotonintensiteten. Det betyder att generationen är störst vid ytan och avtar med avståndet från ytan. Om man belyser en diod med fotoner som har en högre energi än bandgapet så genereras fria laddningsbärare. Beroende på var i dioden dessa genereras så kan det leda till en ström i en yttre krets. Om laddningsbärarna genereras i rymdladdningsområdet så sveps de iväg av det inbyggda elektriska fältet, elektroner mot n-sidan och hål mot p-sidan. Det är tvärt emot riktningen på den normal
framströmmen. För laddningsbärare utanför rymdladdningsområdet finns det inget som får dem att gå i någon speciell riktning, utan de rör sig slumpmässigt och kommer slutligen att rekombinera igen utan att ge upphov till någon ström. Om laddningsbärarna genereras nära rymdladdningsområdet så kan de med sin slumpmässiga rörelse ta sig in i rymdladdningsområdet och svepas iväg av det elektriska fältet och ge ett bidrag till strömmen. Det gäller för elektroner genererade på p-sidan och hål genererade på n-sidan. Elekroner genererade på n-sidan och hål genererade på p-sidan sveps tillbaka ut ur rymdladdningsområdet av fältet. De elektron-hålpar som genereras i rymdladdningsområdet plus området inom en diffusionslängd från rymdladdningsområdet, d, på dioden ger upphov till en ström, I L, som är proportionell mot geometrin på dioden (arean och utsträckningen av d) och fotonintensiteten vid ytan. Observera att d > d tot! Den totala strömmen i dioden blir då: $ U a ' U I = I 0 " & e t #1 ) & ) # I L % ( [A] (2) Om kortsluter dioden (U a = 0), ser vi att kortslutningsströmmen är proportionell mot den infallande ljusintensiteten. Detta är ett viktigt resultat som ofta utnyttjas för att mäta ljusintensiteter, eftersom kortslutningsströmmen ändras linjärt med belysningsintensiteten. Figur 2 (a) Fotonintensiteten avtar med avstånd från ytan på en fotodiod. (b) visar en utan yttre spänning och (c) visar samma diod backspänd. Elektroner och hål som genereras i själva RLO sveps ut av det elektriska fältet elektroner mot n-sidan och hål mot p-sidan. Det ger upphov till en ström i en yttre krets. Det större RLO i (c) leder till absorption av fler fotoner i RLO och därmed större ström. För tjocka prover, t.ex. de lysdioder vi ska studera, kommer vi att observera en kraftig nedgång av fotoströmmen när energin på det exciterande ljuset ligger en bit över bandgapsenergin. Detta beror på absorptionskoefficientens energiberoende. Strax över bandgapsenergin är den mycket liten. Man har då möjlighet att excitera hela provet även om detta är mycket tjockt. Vid excitation med en energi mycket över bandgapet är absorptionskoefficienten avsevärt större och all absorption kommer att ske i ytan på grund av det korta inträngningsdjupet. Det gör att en stor del av absorptionen sker innan fotonerna når fram till rymdladdningsområdet på dioden. Vid ytan av en halvledare finns dessutom, bl.a. på grund av att kristallen upphör, defekter som fungerar som rekombinationscentra. De elektron-hålpar som produceras nära ytan kommer att i stor utsträckning rekombinera via dessa defekter på ytan på grund av den kraftiga fotonabsorptionen där. Denna rekombination bidrar också till en minskad fotoström i dioden.
Utförande 1. Mätning av emission och absorption hos lysdioder För att dela upp ljuset i olika energier använder vi en monokromator (figur 3). Ljuset från en lampa fokuseras på ingångsspalten till monokromatorn. I denna sker en spektraluppdelning av ljuset i ett glasprisma där olika våglängder sprids i olika vinklar i förhållande till det infallande ljuset. Det gör att en viss riktning, bestämd av utgångsspalten, svarar mot en bestämd våglängd (monokromatiskt ljus). Genom att vrida prismat i förhållande till det infallande ljusets riktning kan olika våglängder väljas ut. Inställningen av utgångsspalten är viktig: En bred utgångsspalt ger mycket ljus ut och därmed lågt brus. Dock är inte våglängden väldefinierad, därmed minskar upplösningen. Inställningen av utgångsspalten blir därmed en avvägning mellan upplösning och brusnivå. Det utgående ljuset får träffa komponenten och den vid belysningen erhållna strömmen mätes. En dator styr vridningen av prismat och registrerar samtidigt mätsignalen, vilket resulterar i en kurva som representerar komponentens spektrala känslighet. ingångsspalt vridbart prisma utgångsspalt ljus in fotodetektor Figur 3 Schematisk bild av en monokromator. spektraluppdelat ljus Mät emissionen genom att låta ljuset från lysdioden falla in mot ingångsspalten och detekteras av en fotodiod på utgången, samtidigt som prismat vrids. Detta ger ett diagram med intensiteten som funktion av ljusets energi. => Förklara spektrets utseende. Mät absorption genom att använda lysdioden som fotodetektor och låt ljuset från en halogenlampa falla in mot ingångsspalten. Prismats vridningsvinkel definierar energin hos det ljus som passerar monokromatorn. Däremot kommer intensiteten att till största delen definieras av halogenlampans strålningsspektrum. En glödlampa lämnar störst intensitet, flest fotoner, i IR-området. Till varje monokromator finns ett diagram som ger det relativa fotonantalet vid olika energier. Vi behöver inte normera mätresultaten, men vi måste vara medvetna om att utsignalen från lysdioden är resultatet av en faltning mellan halogenlampans intensitetsfunktion och diodens absorptionsfunktion. Detta leder till en svag rödskiftning, förskjutning mot lägre energi, av spektret. Moderna lysdioder är baserade på antingen GaAs, GaP eller GaN. Al 1-x Ga x As ger infrarött till rött med ökande x, där x ligger mellan 0 och 1. Inblandningen av Al ger ett högre bandgap och därmed en emission i det synliga röda området. För övriga färger används Ga 1-x-y In y Al x P (0 x+y 1) eller Ga 1-x In x N. Ökande Al-innehåll ökar bandgapet medan ökande In-innehåll minskar bandgapet. Större bandgap ger ett skift mot blått medan ett lägre bandgap ger ett skift mot rött. Vita lysdioder fungerar vanligen som ett lysrör med en violett lysdiod som i sin tur inducerar emission från ett pulver för att ge den vita färgen.
Alternativt kan man som i en TV-skärm blanda rött, blått och grönt från tre olika dioder i samma inkasling för att ge vitt ljus. Dioderna kan vara tillverkade enligt följande: Infrarött: GaAs eller AlGaAs Rött: GaInAlP eller GaAlP Gult/orange: GaInAlP eller GaAlP. Grönt: GaAlP eller InGaN. Blått: GaN eller InGaN. Ultraviolett: GaN. Vitt: GaN + YAG-pulver (liknande ett lysrör) Genom att jämföra dioderna med varandra ska du ta reda på vilken typ som används vid laborationen 2. Solcellens optimala arbetspunkt En diod kan arbeta på tre olika sätt, i tre olika kvadranter av ström-spänningsdiagrammet, beroende på hur den är inkopplad, se figur 4. "Vanlig" Diod Fotodetektor Solcell E E R R R I I I + - V I - + V I + - V I V V V Figur 4 Tre olika arbetssätt för en diod. Definitionen av tecken och riktningar utgår från den vanliga dioden.
3. Tillverkning av en GaP diod Utan att gå in på detaljer, som kommer längre fram i kursen, kan man konstatera att det finns mer än en metod för att tillverka en diod. En speciell metod som kan vara ganska belysande att studera är den s k legeringstekniken. Den lämpar sig inte för riktig IC-framställning, men väl för vissa diskreta komponenter. Dessutom bör det påpekas att sättet som dioden tillverkas på här är mycket förenklat. Legeringsteknik för tillverkning av pn-övergångar Halvledarkomponenter tillverkas nästan uteslutande i enkristaller, och denna struktur kan ju som bekant erhållas ur en smälta från det rena materialet då en s.k. groddkristall finns närvarande vid stelningsprocessen. Legering är en stelningsprocess som sker vid en temperatur som är lägre än smältpunkten för det rena materialet. I figur 5 visas schematiskt hur en pn-övergång tillverkas i halvledaren germanium (Ge) genom en legering med metallen indium (In). Figur 5 Vid stelningen av In-Ge lösningen bildas en dopad Ge-enkristall, så att en pn-övergång uppstår. För att kunna framställa en pn-övergång, som har likriktande egenskaper och därför är användbar som diod, måste halvledarmaterialet ifråga nödvändigtvis kunna göras både p- och n-typ (dopat). Denna dopning kan ske antingen direkt vid kristalltillverkningen eller vid den efterföljande behandlingen. Det material som används här är III-V föreningen galliumfosfid (GaP), dopat till n-typ dopad, i form av små orangefärgade bitar. För att få fram en pn-övergång måste alltså ett område i n-typ GaP-biten dopas p-typ. Detta kan göras med hjälp av zink (Zn) som dopämne. För att dessutom erhålla en bra elektrisk och lågohmig kontakt (s k ohmsk kontakt) med n-typ området, behöver detta förstärkas från n-typ till n + -typ (högre dopningskoncentration) där katodanslutningen till dioden skall göras. För det ändamålet dopas GaP-biten med tenn (Sn). Utförande Legeringsutrustningen visas i figur 6. En bit av det material som skall legeras placeras på ett tunt tantalbleck som är fastsatt mellan två kraftiga elektriska anslutningar. Dessa är i sin tur förbundna med sekundärsidan av en transformator som kan leverera en ström på upp till 50 A. Strömmen genom tantalblecket och därmed temperaturen varieras med en vridtransformator.
Figur 6 Legeringsutrustningen. Framställningsprocessen omfattar följande moment: OBS! Legeringen görs i dragskåp! Välj en GaP-bit och hantera den med pincett. Placera GaP-biten, med den blanka sidan uppåt, på tantalblecket i legeringsutrustningen. Platta till en liten tennkula något med en pincett så att den inte rullar. Placera sedan tennkulan ovanpå GaP-biten. Därefter läggs en liten zinklegerad guldplatta vid sidan om tennkulan på ett avstånd av 0,5-1 mm. Både guldbiten och tennkulan måste ligga uppe på GaP-biten. Undvik dock att lägga dem så nära varandra att de är kortslutna. Själva legeringen tillgår som så, att strömmen genom tantalblecket ökas genom att snabbt vrida upp vridtransformatorn tills GaP-biten uppnår en lämplig temperatur. (Med lämplig menas den temperatur då tennkulan och guldplattan precis smält ner i GaP-biten.) Temperaturökningen måste ske snabbt annars hinner tennkulan oxideras, vilket försvårar legeringsprocessen. TIPS: Iakttag hela tiden tennkulan och guldplattan och när dessa båda blixtrar till, eller ryker till, vrider man genast ner vridtransformatorn så att temperaturen på blecket minskar. Detta måste ske snabbt annars sjunker kulan och/eller plattan genom GaP-biten. Vid stelningen bildas ett p-dopat (Zn-dopat) område i GaP:en närmast guldet, och därmed uppstår en pn-övergång. Där guldplattan lades finns anoden, och Sn-kulan utgör katoden. Vid legeringen så oxideras både guldet och tennet. Oxiderna tas enklast och säkrast bort genom att man skrapar lätt på ytan med en pincett tills de ser metalliskt blanka ut. Dioden är nu redo för att göra elektriska mätningar. Tillverkningen är nu klar, och dioden skall testas enligt instruktioner från er handledare.
Karaktärisering av GaP dioden Den elektriska karakteriseringen görs med hjälp av en enkel probstation. Den består av två metallnålar som kan röras i tre riktningar. Nålarna är kopplade till en elektrisk kontakt så att man kan göra mätningar på dioden man placerar på stationen. För ytterligare stabilitet så kan man montera dioden på dubbelhäftande tejp. För att få bra kontakt till dioden måste probstationens nålar sitta uppe på metallkulorna, en nål på var och en av metallkulorna. Short circuit A B Inner wire (red) is conneted to probe B Shield (black) is connected to probe A Figur 7 Probstation och koppling för mätning av ström/spänning. I denna del ska vi studera diodens karakteristik och uppskatta framspänningsfallet och spänningen för genombrott i backriktningen. För att enkelt kunna bestämma diodens karakteristik använder vi en uppkoppling som ger spänningen över dioden på oscilloskopets x-axel och strömmen genom dioden på y-axeln. En tongenerator lägger en växelspänning över dioden och vi kan se diodens ström-spänningskarakteristik (I-U) på oscilloskopskärmen. Uppkopplingen görs enligt figur 7 och oscilloskopet kopplas för x-y svep. På x- axeln ser vi spänningen över dioden och på y-axeln ser vi strömmen genom dioden (eller egentligen spänningsfallet över motståndet i serie med dioden. Vi kan nu studera diodens karakteristik och uppskatta framspänningsfallet och spänningen för genombrott i backriktningen. I den här kopplingen kommer en kortsluten diod att ge en vertikal linje och en avbruten diod att ge en vertikal linje. Vi ska nu undersöka om dioden kan användas som en solcell. Det innebär att dioden belyses och kopplas direkt till en amperemeter. Slutligen ska vi se om vi kan få dioden att lysa också. Dioden kan vara lite svår att få att lysa, men med tillräckligt mycket ström så brukar det gå (eller så brinner den upp). Dioden kopplas direkt till ett spänningsaggregat och spänningen ökas försiktigt. Tänk först efter vilken polaritet som bör användas. Försök avgöra vilken färg dioden lyser med.
Analys och bearbetning av experimentell data: Emission och absorption hos lysdioder: Uppgift 2: Presentera mätningarna av emission och absorption för samtliga lysdioder som har mätts på under laborationen. Uppskatta hur stort bandgap de olika dioderna har. Solcellen: Uppgift 3: Mät I-U kurvan i fjärde kvadranten för en viss konstant belysning genom att kortsluta solcellen över olika belastningsresistanser. Plotta kurvan i lin-lin-diagram (gör helst under mätningens gång). Beräkna med hjälp av mätningen den i motståndet utvecklade maximala effekten. Analys av en GaP diod: Uppgift 4: Visa med en skiss hur ström-spänningskarakteristiken ser ut för GaP-dioden. Indikera ungefärliga värden på framspänningsfallet och genombrottsspänningen i backriktningen. Lyser dioden? Vilken färg i så fall? Hur stämmer det med bandgapet på GaP? Med dioden kopplad till en pikoampermeter, går det någon ström genom dioden när man lyser på den? Skissa hur I-U kurvan för dioden förändras när man lyser på den.
REDOGÖRELSEN Redogörelsen för den här laborationen ska bestå av en kort inledning, utförliga svar på frågorna, diagram och i förekommande fall mätdata, samt en kort sammanfattning. Handledaren lämnar detaljerade instruktioner om utformningen av redogörelsen. Förslag på utformning av rapporten: Inledning och backgrund En kort beskrivning av syftet med laborationen och vad som studerades. Utförande Korta beskrivningar av de experimentella momenten under följande rubriker: Lysdioder - emission och absorption Solcellen Tillverkning och analys av en GaP diod Analys och bearbetning av experimentell data Korta redovisningar av analysen av och resultatet från mätdata under följande rubriker. Uppgift 2: Lysdioder Uppgift 3: Solcellen Uppgift 4: Den egentillverkade GaP dioden Sammanfattning och slutsatser En sammanfattning av vad som har gjorts och vilka slutsatser som kan dras från de utförda momenten. Bilagor: Förberedelseuppgift 1 Spektra från lysdiodernas absorption och emission.