Der vorliegende Versuch hat zum Ziel, einige Grundlagen der Halbleiter- Optoelektronik experimentell zu vertiefen. Dazu werden einerseits eine Laserdiode charakterisiert sowie die Eigenschaften eines Fotodetektors hinsichtlich Schnelligkeit und Empfindlichkeit untersucht.
Die Signalquelle ist eine Halbleiter-Laserdiode im sichtbaren Bereich, deren Arbeitspunkt mittels einer externen Ansteuerung stabilisiert wird. Die Intensitätsmodulation der Laserdiode erfolgt mit Hilfe eines Frequenzgenerators, der den Injektionsstroms direkt am Laserdioden-Controller steuert. Eine Charakterisierung der Laserdiode bezüglich ihrer elektrooptischen Kennlinie ist vor der Untersuchung des Fotodetektors notwendig. Weiterhin soll die Konstanz der Laserausgangsleistung bei den zu untersuchenden Modulationsfrequenzen überprüft werden.
Nach Charakterisierung der Laserdiode werden die dynamischen Eigenschaften einer Si-Fotodiode bei unterschiedlichen Beschaltungen untersucht:
• Fotodiode im Fotoelementbetrieb, d. h. ohne Gegenspannung, bei 2 unterschiedlichen Lastwiderständen
• Fotodiode im Fotodiodenbetrieb, d. h. mit Gegenspannung, bei 2 unterschiedlichen Lastwiderständen
In beiden Fällen sind folgende Untersuchungen durchzuführen:
• Bestimmung des Tiefpassverhaltens
• Bestimmung Sprungantwortfunktion
• Bestimmung der Ansprechempfindlichkeit (Fotostrom als Funktion der Bestrahlungsleistung)
Eine detaillierte Aufgabenbeschreibung findet sich am Ende dieser Anleitung.
Sämtliche Diagramme sollen von Hand parallel zu den Messungen gezeichnet werden. Zur Auftragung des Tiefassverhaltens in ein Bode-Diagramm ist die Verwendung von Papier mit doppel-logarithmischer Einteilung von Vorteil.
Zur Auswertung ist die Benutzung eines Taschenrechners erforderlich.
Inhaltsverzeichnis
1.Theoretische Grundlagen
1.1 Laserdiode
1.1.1 Das Laserprinzip
1.1.2 Das aktive Medium
1.1.3 Besetzungsinversion
1.1.4 Der optische Resonator
1.1.5 Elektrooptische Kennlinie
1.1.6 Analogmodulation der Laserdiode
2. Fotodetektor
2.1 Fotodiode mit pn-Übergang
2.2 pin-Fotodiode
2.3 Kennlinie der Fotodiode mit Gegenspannung (UD<0, UB<0)
2.4 Kennlinie der Fotodiode ohne Vorspannung (Fotoelement, UD<0, UB=0)
2.5 Kleinsignalersatzschaltbild des Fotodetektors
3. Versuchsdurchführung
3.1 Charakterisierung der Laserdiode
3.2 Charakterisierung der Fotodetektordiode
3.3 Zeitverhalten
3.4 Frequenzverhalten
3.5 Untersuchung der Abhängigkeit von Spannung und Leistung
4. Auswertung
4.1 Einleitung
4.2 Die Laserdiode
4.3 Beschaltungsmöglichkeiten der Fotodiode
4.4 Frequenzverhalten des Detektors
5. Fehlereinschätzung
6. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, grundlegende physikalische Eigenschaften von Komponenten der Halbleiter-Optoelektronik experimentell zu untersuchen und zu vertiefen. Hierbei stehen die Charakterisierung einer Laserdiode sowie die Analyse des Frequenz- und Zeitverhaltens von Fotodioden unter verschiedenen Betriebsbedingungen im Vordergrund.
- Experimentelle Bestimmung der Kennlinien von Laserdioden.
- Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Si-Fotodioden.
- Analyse des Einflusses von Beschaltung und Vorspannung auf die Empfindlichkeit und Bandbreite.
- Methodische Erfassung von Zeitverhalten und Grenzfrequenzen optoelektronischer Bauelemente.
Auszug aus dem Buch
1.1.2 Das aktive Medium
Eine Laserdiode besitzt als aktives Medium einen in Flussrichtung gepolten pn- Übergang aus einem direkten Halbleiter mit einem für den gewünschten Wellenlängenbereich geeigneten Bandabstand Wg ≤ h*c / λ. Bei Injektion von Elektronen von der n- und Löchern von der p-Seite rekombinieren diese unter Strahlungsemission (Fotolumineszenz). Dabei überwiegen beim direkten Halbleiter die strahlenden Übergänge die nicht-strahlenden (Abb.1.1).
Verstärkung erfolgt durch stimulierte Emissionen: Ein Photon mit passender Frequenz stimuliert die Rekombination eines Elektron-Loch-Paares, wobei wiederum ein Photon der Energiedifferenz ΔW=h*f abgestrahlt wird. Dieses stimulierte Photon besitzt genau die gleiche Frequenz, Phase, Ausbreitungs- und Polarisationsrichtung wie das induzierende. Alle von dem Ausgangsphoton ausgelösten Sekundärphotonen interferieren konstruktiv, d. h. ihre Amplituden addieren sich, ihre Leistungsdichten wachsen quadratisch mit der Zahl N der kohärent überlagerten Teilwellen, d. h. N mal stärker als bei inkohärenter Überlagerung wie z.B. bei spontaner Emission.
Zusammenfassung der Kapitel
1.Theoretische Grundlagen: Erläutert die physikalischen Prinzipien von Laserdioden (einschließlich Resonator und Kennlinie) sowie von Fotodetektoren (pn-Übergang und Ersatzschaltbilder).
2. Fotodetektor: Beschreibt die verschiedenen Betriebsmodi von Fotodioden und deren Verhalten als Fotoelement oder mit Vorspannung.
3. Versuchsdurchführung: Dokumentiert den Versuchsaufbau zur Charakterisierung der Laserdiode und der dynamischen Eigenschaften der Fotodetektordiode.
4. Auswertung: Präsentiert die Ergebnisse der durchgeführten Messungen, inklusive Kennliniendiagrammen und Berechnungen der Grenzfrequenzen.
5. Fehlereinschätzung: Analysiert kritisch die Genauigkeit der Messergebnisse und quantifiziert die Fehler bei der Bestimmung von Kennwerten.
6. Zusammenfassung: Fasst die experimentell ermittelten Parameter für die Laserdiode und Fotodiode übersichtlich zusammen.
Schlüsselwörter
Optoelektronik, Laserdiode, Fotodiode, Besetzungsinversion, Halbleiter, Quantenwirkungsgrad, Frequenzverhalten, Grenzfreqenz, Sperrschichtkapazität, Analogmodulation, Kennlinie, Zeitverhalten, Fotoelement, Strahlungsemission, Ansprechempfindlichkeit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht experimentell optoelektronische Halbleiterbauteile, insbesondere Laserdioden und Fotodetektoren, um deren Funktionsweise und dynamisches Verhalten besser zu verstehen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Themen umfassen die Bestimmung der elektrooptischen Kennlinie von Laserdioden sowie die Analyse des Zeit- und Frequenzverhaltens von Fotodioden in verschiedenen Beschaltungen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die experimentelle Vertiefung der theoretischen Grundlagen durch die Messung von Wirkungsgraden, Anstiegszeiten und Bandbreiten bei unterschiedlichen Betriebsspannungen und Lastwiderständen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden Messreihen für Leistung und Strom, Oszilloskop-Messungen für das Zeitverhalten sowie eine Frequenzanalyse mittels Frequenzgenerator und Bode-Diagrammen angewendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Bauelement-Funktionen, die praktische Versuchsdurchführung und die rechnerische Auswertung der gewonnenen Messdaten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Fachbegriffe wie Optoelektronik, Quantenwirkungsgrad, Grenzfreqenz, Sperrschichtkapazität und Analogmodulation charakterisieren.
Welchen Einfluss hat die Vorspannung auf die Fotodiode?
Die Vorspannung beeinflusst die Breite der Sperrschicht und damit die Kapazität, was sich direkt auf das Zeitverhalten und die Grenzfrequenz des Detektors auswirkt.
Warum wird ein Bode-Diagramm zur Auswertung genutzt?
Das Bode-Diagramm erlaubt eine einfache grafische Bestimmung der 3dB-Grenzfrequenz des Detektors, da der Frequenzgang hier als doppellogarithmische Darstellung aufgetragen wird.
Wie lässt sich der Quantenwirkungsgrad experimentell bestimmen?
Er ergibt sich aus der Steigung der Strom-Leistungskennlinie (Slope efficiency) unter Berücksichtigung der Wellenlänge der emittierten Strahlung.
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- Harun Aktas (Author), 2005, Optoelektronik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/49323
