LTH: FASTA TLLSTÅNDETS FYSK Komponentfysik för E Laboration: Optokomponenter Utförd datum nlämnad datum Grupp:... Laboranter:...... Godkänd datum Handledare: Retur Datum: Återinlämnad Datum: Kommentarer T-12
FASTA TLLSTÅNDETS FYSK LTH Komponentfysik för E Optokomponenter 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 av 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 T-överföring, optisk kommunikation, optokopplare (isolatorer), displayer, belysning, solpaneler, etc. laborationen studeras båda typerna av optokomponenter. Laborationens omfattning och målsättning Laborationen består av tre delmoment: Mätning av emission och absorption för en eller flera lysdioder Solcellens -U kurva och optimala arbetspunkt Tillverkning och analys av en GaP-diod När du har gått igenom denna laboration, 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 för att erhålla maximalt effektuttag hos solceller. 2
Förberedelser inför laborationen Lös förberedelseuppgifterna nedan enskilt innan laborationen. ar beredd att redovisa uppgifterna för de andra laboranterna. Läs även igenom laborationshandledningen och gör dig bekant med de begrepp som tas upp här. Till din hjälp finns även en frågekatalog. Denna tar upp frågor om pn-övergången som är viktiga för förståelsen. Kapitel 5 i kursboken är dessutom högst relevant för denna laboration. Förberedelseuppgifter: 1. För optokomponenter är bandgapet mycket viktigt. Skissa hur emission och absorption ser ut som funktion av energi för en lysdiod respektive fotodiod av samma material. Markera ut bandgapet. 2. ett vanligt system med en fjärrkontroll har man en lysdiod av GaAs och en fotodiod av Si. Hade det fungerat med en lysdiod av Si och en fotodiod av GaAs? arför / varför inte? 3. Skissa utseendet på en ström-spänningskurva för en diod i mörker. Skissa samma kurva vid belysning. 4. För att göra en diod så känslig som möjligt som fotodiod, hur ska man designa den med avseende på (a) utsträckningen på de neutrala områdena? (b) dopningskoncentrationer? Antag att man belyser den från sidan, d.v.s. vinkelrätt mot pn-över-gången. 5. Hur kan man biasera en given fotodiod för att öka dess känslighet? 6. Skriv upp sambandet mellan våglängden och energin för en foton. Förberedelseuppgifterna ska göras enskilt av varje laborant innan laborationen och lämnas in till handledaren vid laborationens början. Detta är obligatoriskt för att få göra laborationen. 3
Frågekatalog: 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 har du av laborationen. Det kommer dessutom att vara lättare att både genomföra laborationen och att skriva laborationsrapporten. 1. arför uppstår ett stationärt tillstånd i laddningsbärarkoncentrationen vid konstant belysning? 2. Definiera excitationstäthet. 3. Hur uppkommer den inbyggda spänningen i en pn-övergång? 4. 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. 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. ilket samband ( ) gäller för en pn-övergång i mörker? 11. Rita ström-spänningskurvor (-U kurvor) för en pn-övergång i mörker och vid belysning. 12. ilken förändring sker i en pn-övergångs backström vid belysning? 13. Hur beror kortslutningsströmmen för en pn-övergång på fotonintensiteten? 14. Rita den del av -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. 4
1. Mätning av emission och absorption hos lysdioder 1. 1 Utförande För att dela upp ljus i olika energier använder vi en monokromator, se figur 1. Ljuset från en ljuskälla (lysdiod/halogenlampa) fokuseras på ingångsspalten till monokromatorn. denna sker en spektraluppdelning av ljuset i ett glasprisma där olika våglängder sprids i olika vinklar. En viss riktning, bestämd av utgångsspalten, svarar däför mot en bestämd våglängd (monokromatiskt ljus). Genom att vrida prismat i förhållande till det infallande ljusets riktning kan olika våglängder väljas ut. Det utgående ljuset får träffa en fotodetektor. id mätning av absorption används lysdioden som fotodetektor. Belysningen ger upphov till en ström i fotodetektorn som mäts med hjälp av en amperemeter och registreras av ett Labview-program. Programmet styr samtidigt vridningen av prismat, vilket resulterar i en kurva som representerar komponentens spektrala känslighet där intensiteten plottas som funktion av våglängden. ingångsspalt vridbart prisma utgångsspalt ljus in fotodetektor spektraluppdelat ljus Figur 1 Schematisk bild av en monokromator. Ljuset som ska analyseras fokuseras på en ingångsspalt. Ett prisma (eller ett gitter) sprider ut ljuset i olika våglängder, där varje våglängd har en välbestämd vinkel. Med en utgångsspalt kan man välja ut en viss våglängd. Om man vrider på prismat så kan man välja olika våglängder. Slutligen används en fotodetektor för att detektera ljuset. 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 på ljuset från lysdioden som funktion av ljusets våglängd. Förklara emissionsspektrats utseende. ilket bandgap har halvledaren i lysdioden? Mät absorption genom att använda lysdioden som fotodetektor och låt ljuset från en halogenlampa falla in mot ingångsspalten. Detta ger ett diagram som visar för vilka våglängder lysdioden absorberar ljus. Absorptionsmätningen kompliceras av att halogenlampan inte ger en jämn intensitet för alla våglängder. Detta medför att mängden absorberat ljus, för ljusenergier över bandgapet, till största delen definieras av halogenlampans strålningsspektrum. Till varje monokromator finns ett diagram som ger den relativa intensiteten vid olika energier. i 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. Förklara absorptionsspektrats utseende. ilket bandgap har halvledaren i lysdioden? 5
Lysdioderna är baserade på antingen GaAs, GaP eller GaN. Emissionen från lysdioderna kan dessutom modifieras genom inblandning av exempelvis Al eller n. Al 1-x Ga x As ger infrarött till rött ljus med ökande x, där x ligger mellan 0 och 1. nblanding av Al ger ett högre bandgap och därmed en emission i det synliga röda området. För övriga färger används Ga 1-x-y n y Al x P (0 x+y 1) eller Ga 1-x n x N. Ökande aluminiuminnehåll ökar bandgapet medan ökande indiuminnehåll minskar bandgapet. Större bandgap ger ett skift mot blått medan ett lägre bandgap ger ett skift mot rött. ita 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 T-skärm blanda rött, blått och grönt från tre olika dioder i samma inkapsling för att ge vitt ljus. Dioderna kan vara tillverkade enligt följande: nfrarött - GaAs eller AlGaAs Rött - GanAlP eller GaAlP Gult/orange - GanAlP eller GaAlP. Grönt - GaAlP eller ngan. Blått - GaN eller ngan. Ultraviolett - GaN. itt - GaN + YAG-pulver (liknande ett lysrör) 1.2 Analys och bearbetning av experimentell data Presentera mätningarna av emission och absorption för samtliga lysdioder som har mätts på under laborationen. Plotta gärna emission och absorption från en och samma diod i samma plot. Uppskatta hur stort bandgap de olika dioderna har. Ger absorptionsmätningen samma värde för bandgapet som emissionsmätningen? 6
2. Solcellens optimala arbetspunkt 2.1 Utförande En diod kan arbeta på tre olika sätt, i tre olika kvadranter av ström-spänningsdiagrammet, beroende på hur den är inkopplad, se figur 2. "anlig" Diod Fotodetektor Solcell E E R R R + - - + + - Figur 2 Tre olika arbetssätt för en diod under belysning. Definitionen av tecken och riktningar utgår från den vanliga dioden. Mät -U kurvan i fjärde kvadranten för en viss konstant belysning genom att variera solcellens belastningsresistans. Mät kortslutningsströmmen och spänningen hos en öppen krets för att få -U kurvans ändpunkter. Belysningen ska fortfarande vara konstant. 2.2 Analys och bearbetning av experimentell data Plotta -U kurvan i ett diagram (gör helst detta under mätningens gång). Beräkna med hjälp av mätningen den i maximala utvecklade effekten i belastningsresistansen. ilken belastningsresistans ger solcellens optimala arbetspunkt? 7
3. Tillverkning av en GaP-diod 3.1 Legeringsteknik för tillverkning av pn-övergångar 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 så kallade legeringstekniken. Den lämpar sig inte för riktig C-framställning, men väl för vissa diskreta komponenter. Dessutom bör det påpekas att sättet som dioden tillverkas på här är mycket förenklat. Halvledarkomponenter tillverkas nästan uteslutande i en-kristaller, och denna struktur kan 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. figur 3 visas schematiskt hur en pn-övergång tillverkas i halvledaren germanium (Ge) genom en legering med metallen indium (n). Figur 3 Tillverkning av en Ge-diod genom legering med indium. Man utgår från n-typ Ge och placerar en bit indium på halvledaren. Genom att upphetta halvledaren smälter man in indium i den. id stelningen av n-ge bildas en dopad Ge-kristall, 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 till p- och n-typ (dopat). Denna dopning kan ske antingen direkt vid kristalltillverkningen eller vid den efterföljande behandlingen. Det material som används här är - föreningen galliumfosfid (GaP), dopat till n-typ, i form av små orangefärgade bitar. För att få fram en pn-övergång måste alltså ett område i GaP-biten av n-typ dopas till 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). 3.2 Utförande Legeringsutrustningen visas i figur 4. 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. 8
Figur 4 Legeringsutrustningen. Ett bleck av tantal värms upp genom att man kör en ström genom det. Strömmen kan varieras med hjälp av en vridtransformator. Framställningsprocessen omfattar följande moment: älj 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 efter legeringen. Själva legeringen tillgår som så, att strömmen genom tantalblecket ökas genom att ganska 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. TPS: aktta 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. id stelningen bildas ett p-dopat (Zn-dopat) område i GaP:en närmast guldet, och därmed uppstår en pnövergång. Där guldplattan lades finns anoden, och Sn-kulan utgör katoden. id 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. 3.3 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. Montera dioden i probstationen. Placera den eventuellt på dubbelhäftande tejp för bättre stabilitet. För att få bra kontakt till dioden måste probstationens nålar sitta uppe på metallkulorna, en nål på var och en av metallkulorna. 9
Short circuit A B nner wire (red) is conneted to probe B Shield (black) is connected to probe A Figur 5 Probstation och koppling för mätning av ström/spänning. 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 (-U) på oscilloskopskärmen. Uppkopplingen är gjord enligt figur 5 med oscilloskopet kopplat för x-y svep. På x- axeln ser vi spänningen över dioden och på y-axeln ser vi strömmen genom dioden (egentligen spänningsfallet över motståndet i serie med dioden). den här kopplingen kommer en kortsluten diod att ge en vertikal linje och en avbruten diod att ge en vertikal linje. Studera diodens karakteristik och uppskatta framspänningsfallet och spänningen för genombrott i backriktningen. Dioden kan vara lite svår att få att lysa, men med tillräckligt mycket ström så brukar det gå. Studera dioden med hög amplitud på tongeneratorn. Stäng ute så mycket ströljus som möjligt. Eventuellt kan dioden kopplas direkt till ett spänningsaggregat där spänningen ökas försiktigt (vid för hög ström brinner dioden upp). Tänk i så fall först efter vilken polaritet som bör användas. Försök avgöra vilken färg dioden lyser med. Undersök även om dioden kan användas som en solcell. Koppla in probstationen direkt till en amperemeter och studera hur dioden svarar på belysning. 3.4 Analys och bearbetning av experimentell data isa med en skiss hur ström-spänningskarakteristiken ser ut för GaP-dioden. ndikera ungefärliga värden på framspänningsfallet och genombrottsspänningen i backriktningen. Lyser dioden? Kunde ni, i så fall, avgöra vilken färg det var? Hur stämmer det med bandgapet för GaP? Med dioden kopplad till en amperemeter, går det någon ström genom dioden när man lyser på den? 10
REDOGÖRELSEN Redogörelsen för den här laborationen ska bestå av en kort inledning, utförliga svar på alla frågorna, diagram och i förekommande fall mätdata, samt avslutas med en kort sammanfattning. Handledaren lämnar detaljerade instruktioner om utformningen av redogörelsen. Förslag på utformning av rapporten: nledning och bakgrund 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. Lysdioder Solcellen 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: Förberedelseuppgifter 11