ИЗМЕРЕНИЕ БАРЬЕРНОЙ ЕМКОСТИ ПРИ ПРЯМОМ И ОБРАТНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ДИОДА

MEASURING THE BARRIER CAPACITANCE DURING FORWARD AND REVERSE SWITCHING ON OF THE DIODE

Актуальность темы статьи обусловлена тем, что в повседневной жизни повсеместно используется ультрафиолетовые диоды:

  • Медицина и косметология (В стоматологии применяют для работы с пломбами и обеззараживания инструментов. В терапии для физиопроцедур по восстановлению недостатка витамина D, при лечении гепатита и снижения уровня билирубина в крови новорожденных детей. B косметологии для соляриев, отдельных омолаживающих процедур);
  • Фармакология (Для производства ряда лекарственных препаратов);
  • Промышленность и производство (Для работы с фоточувствительными композитными составами, затвердевающими под воздействием таких лучей);
  • Криминалистика (Для проведения оперативных мероприятий, обнаружения следов крови, частиц, биологических жидкостей в процессе следствия);
  • Банковская сфера (С помощью ультрафиолетовых лучей определяется подлинность купюр, считываются метки, наносимые для определенных целей);
  • Инновационные технологии «Умный дом».

Это лишь самая малая часть областей, где могут использоваться такие уникальные технологии. Во многих странах ведутся клинические исследования и разработки по поводу влияния УФ на здоровье, на способность препятствовать онкологии, на потенциальные возможности таких лучей в сельском хозяйстве, промышленности и производстве.

Характерные особенности УФ-диапазона излучения позволяют создавать различные устройства, работающие с использованием эффектов как флюоресценция, атмосферное рассеивание света, перевод вещества из одного агрегатного состояния в другое и т.д.

В качестве наиболее известных примеров подобных разработок можно привезти реализацию атмосферных оптических линий связи, работающих как в прямой видимости, так и при отсутствии прямой видимости между излучателем и приемником. Список возможных применений рассматриваемого спектра длин волн весьма обширен, что говорит о востребованности светоизлучающих диод УФ диапазона. В настоящее время для УФ диапазона созданы эффективные и малогабаритные полупроводниковые светодиоды, которые могут использоваться в качестве источников излучения передатчиков.

Как правило, производитель светоизлучающих диодов УФ диапазона указывает оптические характеристики СИД, работающих при типовом значении постоянного тока питания. Популярность УФ-диодов объясняется большим количеством различных факторов: компактность, большой диапазон излучения, длительный срок службы, безопасность, практичность, экологичность, высокая механическая прочность.

В этой работе, будет разработан макет для снятия световых характеристик и  измерена барьерная емкость ультрафиолетового светодиода при прямом и обратном включении

Спектр излучения современных УФ-диодов охватывает диапазон от 280 до 400 нм.

Для измерения барьерной емкости ультрафиолетового светодиода при прямом и обратно включении был разработан экспериментальный макет (Рисунок 1).

http://meridian-journal.ru/uploads/2020/02/3113-1.PNG

1 – аналоговый люксметр на базе фотодиода ФД256; 2 – установка для снятия световых характеристик; 3 – показания мультиметра на компьютере .

Рисунок 1 – Экспериментальный макет для снятия световых характеристик

Трансимпедансный усилитель выполнен на ОУ LF356, выбор этого усилителя продиктован условием, вход ОУ должен быть выполнен на полевых транзисторах. Это обусловлено малыми входными токами, что повышает чувствительность люксметра за счет уменьшения отношения сигнал-шум.

Для исключения отражения от внутренней поверхности трубы светопровода,  она покрашена в черный цвет.

Измерение барьерной емкости проводилось с помощью электрической схемы, представленной на рисунке 2

 

Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема измерения барьерной емкости светодиода

Для измерения емкостей использовалась платформа NI Elvis с использованием инструментов: регулируемый двух полярный источник напряжения «Variable Power Supplies» и цифровой мультиметр «Digital Multimeter» в режиме измерения емкости и напряжения (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Цифровой мультиметр и регулируемый источник

В схеме на рисунке 2 сопротивление R1 имеет большое значение (R1 = 10 МОм). Его роль – предотвратить шунтирование диода на переменном токе малым внутренним сопротивлением источника питания V1. Его значение должно удовлетворять соотношению R1 >> ωc, где с – емкость перехода, ω – частота измерения.

Роль конденсатора C1 – не пропускать постоянное напряжение от V1 на измеритель емкости PC. Значение емкости С1 выбрано из условия С1 >> С.

При измерении барьерной емкости использовался источник с отрицательным напряжением «supply -», а диффузионной емкости источник «supply +» относительно общего провода.

Приборы PV – измеритель напряжения цифрового мультиметра и PC – измеритель емкости, в процессе измерения поочередно подключаются к диоду.

Измерение напряжения на диоде проводилось с помощью регулируемого источника «supply -» от -4 В до 0 В с шагом 0,5 В. Результаты измерения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Снятые характеристики

№ диода

Uобр, В

Сб, пФ

1

-4

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0

4

5

6

7,8

10

12,8

16

19,6

25

8

-4

-3,5

-3,0

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0

3

3,6

4,4

5,8

6,5

9,7

12,4

14,6

20

 

Измерение диффузионной емкости СИД проводилось при прямом включении с использованием регулируемого источника «supply +» (регулирование от 0 до 2 В) с шагом 0,1 В. Результаты измерения барьерной емкости при прямом включении приведены в таблице 2.

Таблица 2

Снятые характеристики

№ диода

Uпр, В

Сб, пФ

1

2

3

1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

25

24,5

24,8

25

25,1

24,9

24,9

25

25,5

25

25

 

Окончание таблицы 2

1

2

3

8

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

20

20

21

19,8

19,9

20

21

20

20

20

20

 

По результатам таблиц (1 и 2) построен график, приведенный на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Вольт-фарадная характеристика барьерной емкости при обратном и прямом включении.

По рисунку 4 можно сделать вывод, что при уменьшении обратного напряжения, уменьшается и емкость. При изменении прямого напряжения, емкость практически не меняется.

В результате проделанной работы были исследованы восемь образцов светодиодов ультрафиолетового излучения с длиной волны λ = 395 нм. С предельным рабочим током 600 мА. Для этих светодиодов кроме указанных параметров больше никаких параметров нет. Поэтому встала необходимость в определении дополнительных параметров, которые необходимы при организации открытой оптической системы связи. Таковыми параметрами является вольт-фарадные характеристики. В измерении барьерной емкости использовалась платформа NI Elvis с измерительными инструментами: цифровой мультиметр в режиме измерения емкости и напряжения, регулируемого источника питания для установления смещения. Для предотвращения шунтирования диода на переменном токе выбрана величина сопротивления R1 и разделительный конденсатор C1. Задачей, которого является не пропускать постоянное напряжение на измеритель емкости. Вольт-фарадные характеристики снимались при прямом и обратном смещении. Полученные характеристики позволят наиболее полно получить динамические параметры светодиода.

Список литературы

  1. Виды и типы светодиодов – полная классификация: сайт Владимира Руденко. [Электронный ресурс]. URL: https://leds-test.ru/vidy-i-tipy-svetodiodov-polnaya-klassifikatsiya.
  2. Берг А., Дин П. Светодиоды. /пер. с англ. — М.: Мир. – 688 с.
  3. Исследование тепловых процессов в мощных InGaN/GaN флип-чип светодиодах с использованием инфракрасной тепловизионной микроскопии / Закгейм А.Л., Курышев Г.Л, Мизеров М.Н. [и др.] // ФТП. Сер. Физика полупроводниковых приборов. – 2017. – Т. 44. – Вып. 3. – С. 390-397.