Курсовая работа
Разработка автоматизированной установки для измерения вольтамперной характеристики фотодиода при различной освещенности
Введение
фотодиод программный пользователь автоматизированный
В последнее время - время бурного развития электроники и информационных технологий - человечеству удалось в различных областях науки и техники значительно расширить свою деятельность, привлекая новые методы, средства и способы исследования. К таким методам можно отнести современную технику измерений, численное моделирование, системы аналитических вычислений на компьютере, а также получившую поистине всемирное распространение технику автоматизации физического эксперимента.
За сравнительно короткий срок измерительное оборудование эволюционировало от простых приборов до сложных измерительных систем и комплексов, в которых активную координирующую роль играет персональный компьютер, давно ставший инструментом для управления измерительными процессами.
Автоматизация измерительных систем позволяет во много раз повысить скорость измерений, а значит, и сэкономить время, а это уже, в свою очередь, позволяет существенно усложнять физический эксперимент. Кроме того, не следует забывать, что автоматизированная измерительная установка управляется компьютером при помощи компьютерных программ и именно поэтому она отличается особой гибкостью. Компьютеры позволяют обрабатывать полученные результаты по заданной программе сразу по мере поступления их в компьютер, причем обрабатывать с огромной скоростью. Плюс ко всему, компьютер обеспечивает быструю и безошибочную запись информации и надежное ее хранение.
Таким образом, все эти достоинства автоматизированных измерительных систем помогают осуществлять новые интересные научные открытия в физике, химии, биологии, медицине и других науках.
В данной работе была поставлена цель создать учебную автоматизированную экспериментальную установку для измерения вольтамперной характеристики фотодиода при различной освещенности и разработать в среде программирования LabVIEW программное обеспечение, управляющее этой установкой при помощи установленной в компьютер платы сбора данных NVL-08.
1. Литературный обзор
Краткое описание работы и характеристик фотодиода
В общем случае полупроводниковый фотодиод - это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности [1]. С точки зрения физических принципов работы фотодиод - это полупроводниковый прибор, в котором используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных светом неравновесных носителей [2]. Схематически фотодиод изображен на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое изображение фотодиода и схема его включения
Фотодиод выполняется обычно на монокристалле германия или кремния, в котором создается p-n-переход. Освещенная область (на рис. 1 - это n-область) обычно слабо легирована и поэтому имеет большое время жизни неравновесных носителей заряда (дырок) и, следовательно, большую диффузионную длину L. Если ширина n-области фотодиода W много меньше диффузионной длины дырок (W<< L) в этой области, то большая часть носителей (дырок), созданных светом не успевает рекомбинировать и дойдет до границы p-n-перехода. Эти качества являются обязательными для фотодиода.
Обычно в качестве фотодиодов используют полупроводниковые диоды с p-n-переходом, смещенным в обратном направлении внешним источником питания [1]. При поглощении квантов света в p-n-переходе или в прилегающих к нему областях кристалла полупроводника образуются новые носители заряда (пары электрон-дырка). Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p-n-переходу областях на расстоянии, не превышающем диффузионной длины, диффундируют к p-n-переходу и проходят через него под действием электрического поля или, с точки зрения энергетической диаграммы, скатываются с потенциального барьера (рис. 2).
Поэтому обратный ток через фотодиод возрастает при освещении. К аналогичному результату приводит поглощение квантов света непосредственно в p-n-переходе. В результате при освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком.
В рабочем диапазоне обратных напряжений при освещении фотодиода обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения, хотя обратная ветвь ВАХ фотодиода в затемненном состоянии может не иметь участка насыщения тока.
Рис.4. Конструкция фотодиода в металлическом корпусе
В конструкции фотодиода, естественно, должна быть предусмотрена необходимость освещения кристалла полупроводника с одновременной защитой этого кристалла от других внешних воздействий (рис. 4). На рис. 4: 1 - кристалл полупроводника с p-n-переходом; 2 - кристаллодержатель; 3 - корпус; 4 - внутренний вывод; 5 - коваровая трубка; 6 - стеклянный проходной изолятор; 7 - ножка корпуса; 8 - кольцо припоя; 9 - стеклянная линза.
Свойства фотодиодов можно характеризовать параметрами и зависимостями, аналогичными параметрам и зависимостям фоторезисторов. Однако у фотодиодов есть существенные отличительные особенности. Так, световая характеристика фотодиода, т.е. зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Связано это с тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Поэтому практически все неосновные носители, возникшие в базе в результате световой генерации, доходят до p-n-перехода и принимают участие в образовании фототока. Во всяком случае потери неосновных носителей заряда на рекомбинацию в базе и на поверхности базы практически не зависят от освещенности, так как исходный полупроводник содержит малое количество неконтролируемых примесей, которые могли бы выполнять роль рекомбинационных ловушек и ловушек захвата. Следствием линейности световой характеристики фотодиода является независимость интегральной чувствительности фотодиода от приложенного обратного напряжения.
Другой особенностью фотодиодов и важным преимуществом их по сравнению с фоторезисторами является малая инерционность.
И, наконец, следует поговорить о спектральной характеристике фотодиодов. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала, при малых длинах волн - большим показателем поглощения и увеличением влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. Таким образом, коротковолновая граница фоточувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая эти величины, можно существенно сдвигать коротковолновую границу фоточувствительности фотодиодов в сторону меньших длин волн.
Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения в данном полупроводнике. При резком увеличении коэффициента поглощения с уменьшением длины волны падающего света, например в германии, положение максимума определяется шириной запрещенной зоны и практически не зависит от толщины базы. Если зависимость коэффициента поглощения от длины волны слабая, как, например, в кремнии, то эффект уменьшения проникновения квантов света в глубь полупроводника и увеличения роли поверхностной рекомбинации будет сказываться слабее с уменьшением длины волны. Поэтому максимум спектральной характеристики может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации.
Платы сбора данных
Сбор, или ввод / вывод данных (Data Acquisition - DAQ) [3], упрощенно можно определить как процесс измерения реального сигнала, например электрического напряжения, и передачи этой информации в компьютер для обработки, анализа, преобразования и хранения. Человек научился преобразовывать большинство физических явлений в сигналы, которые можно измерять: скорость, температура, влажность, давление, текучесть, pH, пространственное положение, радиоактивность, интенсивность света и т.д. Датчики (иногда говорят «измерительные преобразователи» или «сенсоры») воспринимают действие физических явлений и преобразуют их в электрические сигналы согласно определенным пропорциям. Например, термопара преобразует температуру в электрическое напряжение, которое может быть измерено при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Другими примерами датчиков служат тензометрические датчики, расходомеры и датчики давления, которые измеряют силу, скорость потока и давление соответственно. В каждом случае электрический сигнал напрямую связан с явлением, которое воспринимается датчиком.
Взаимодействие с датчиками осуществляется путем управления многофункциональными платами ввода / вывода (платами сбора данных) для считывания аналоговых входных сигналов или формирования аналоговых выходных сигналов, считывания и записи цифровых сигналов и т.д. Например, аналоговый входной сигнал (электрическое напряжение) поступает с датчика на установленную в компьютер плату сбора данных, которая преобразует напряжение в код и отправляет эту информацию в память для обработки, хранения и других операций.
Не все датчики физических величин имеют форму выходных сигналов, которую плата сбора данных может воспринять непосредственно. Поэтому зачастую требуется согласование сигнала, осуществляемое специальными модулями. Например, требуется ввести и проанализировать сигнал очень высокого напряжения (скажем, молнию) - тогда нужно не забыть позаботиться о гальванической развязке или изоляции сигнала: в подобном случае ошибки обойдутся очень дорого! Модули согласования сигнала выполняют множество функций: усиление, линеаризация, фильтрация, изолирование и т.п. Не все, но многие измерительные задачи требуют согласования сигнала, поэтому следует обратить внимание на специфику задачи и технические характеристики применяемых датчиков и измерительных преобразователей, чтобы избежать потенциальных ошибок. Кроме того, иногда неправильные данные могут быть даже хуже выхода оборудования из строя!
Платы сбора данных применяются [4] как в научных исследованиях, так и в прикладных областях. На их основе возможно создание измерительных комплексов, медицинских диагностических комплексов, средств автоматического управления.
Данные платы предназначены для работы в составе персонального компьютера, что предоставляет в распоряжение разработчика систем кроме возможностей самого персонального компьютера по дальнейшей обработке, модернизации, передаче и сохранении полученной информации, еще одно важное качество - мобильность таких систем.
Платы сбора данных могут включать в себя различные составные части, определяемые задачами, для решения которых данные платы предназначены. Среди таких составных частей можно выделить следующие основные и дополнительные устройства:
· аналого-цифровой преобразователь (основа любой платы сбора данных);
· цифровые порты;
· цифро-аналоговые преобразователи;
· цифровые счетчики и таймеры;
· цифровые сигнальные процессоры;
· многоканальные мультиплексоры;
· аналоговые фильтры;
· устройства выборки-хранения.
Команды модулей программируются в двоичном коде (регистровые операции).
Модульность структуры таких плат наряду с отсутствием необходимости применения в составе комплексов, построенных на основе плат сбора данных, узкоспециализированных устройств, предназначенных для работы с получаемой информацией (т.к. такие устройства заменяет персональный компьютер), позволяют строить дешевые и в то же время качественные системы, что способствует применению таких систем как в науке, так и для решения прикладных задач. На их основе строятся виртуальные приборы.
Следует отметить, что преимущества измерительных приборов построенных на основе плат сбора данных и персонального компьютера во многом проистекают из возможностей самого персонального компьютера. Измеренные значения передаются в компьютер наиболее эффективным и быстрым способом - через собственную шину машины (возможны модификации плат работающие и со стандартными портами компьютера). Таким образом, скорость передачи определяется возможностью самой шины.
Измерительные системы на основе плат сбора данных обладают гибкостью для расширения своих возможностей. Что обеспечивает наиболее полное удовлетворение требованиям конкретной задачи. Вот лишь некоторые из достоинств измерительных систем, состоящих из плат сбора данных и персонального компьютера:
· размеры записи практически неограниченны;
· богатейшие возможности по представлению информации;
· специализированный анализ;
· настраиваемый интерфейс пользователя;
· расширяемость;
· запись времени и комментариев вместе с данными;
· встроенные в измерительные процедуры возможности мультимедиа (текст, картинка, аудио / видео);
· автоматизация процесса измерений;
· доступ в Интернет для распространения данных по всему миру;
· сравнительный анализ измерений и сопоставление кривых;
· взаимодействие с базами данных и информационными системами;
· автоматизированная генерация отчетов;
· высококачественная печать.
Среди недостатков систем, построенных на основе плат сбора данных, следует отметить:
· их недостаточную универсальность, т.к. сама плата является законченным модулем и не подлежит модернизации (поэтому плата, используемая для решения одной конкретной задачи, может не подойти для решения другой; в случае же выхода какого-либо модуля из строя придется менять всю плату);
· ограниченная возможность расположения устройств на плате (предназначенной для установки в слот расширения PC), что определяется размерами системного блока компьютера;