Źródła i 1detektory IV. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE WEWNĘTRZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Transkrypt

1 Źródła i 1detektory IV. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE WEWNĘTRZNE W PÓŁPRZEWONIKACH. Cel ćwiczenia: Wyznaczenie podstawowych parametrów spektralnych fotoprzewodzącego detektora podczerwieni. Opis stanowiska: Monochromator-SPM-2 z pryzmatem -NaCl, LiF lub Si. Oświetlacz halogenowy - dla < 4 m; zas < 16V Zasilacz halogenu Z3020 Globar I zas < 12 A Modulator mechaniczny z regulowaną częstotliwością modulacji Zwierciadła etektor fotoprzewodzący PbS o powierzchni światłoczułej 10 mm 2 Zasilacz detektora fotoprzewodzącego Nanowoltomierz selektywny 233 lub homodynowy; alternatywnie wzmacniacz pomiarowy Zasilacz stabilizowany Woltomierz, Amperomierz Opornica dekadowa

2 Źródła i 2detektory Przebieg ćwiczenia Przed przystąpieniem do pomiarów należy zmierzyć powierzchnię detektora termicznego i detektora fotonowego. 1. Pomiar charakterystyki widmowej źródła światła, monochromatora i zwierciadeł w zakresie długości fal od 0.7 m do ok.3 m. stawić detektor termiczny naprzeciw szczeliny wyjściowej monochromatora. Oświetlić detektor. W tym celu zestawić układ optyczny wg schematu przedstawionego na rys.1. Na zasilaczu halogenu ustawić napięcie 10V, szczelinę monochromatora nastawić na 0.7mm, wybrać długość fali z zakresu widzialnego, wyjustować układ optyczny (wykład (8)). Rys.2. Zasilacz modulatora nv homodynowy Reference Rys. 1. Schemat układu do pomiaru charakterystyk widmowych czułości detektora. Jeśli pomiar sygnału wyjściowego odbywa się za pomocą nanowoltomierza homodynowego, napięcie referencyjne z zasilacza modulatora podajemy na wejście Reference tego miernika. Połączyć detektor z wejściem nanowoltomierza. Jeśli sygnał jest bardzo mały, połączyć najpierw detektor z transformatorem 237-, transformator z przedwzmacniaczem a wyjasice przedwzmacniacza z wejściem nanowlotomierza. 2. Pomiar rezystancji różniczkowej detektora

3 Źródła i 3detektory Zmierzyć charakterystykę prądowo-napięciową nieoświetlonego detektora fotoprzewodzącego w zakresie od -10 A do +10 A dla obydwu kierunków polaryzacji. W tym celu połączyć układ wg schematu przedstawionego na rys.2. Wyłącznik K ma być wyciśnięty. Wtedy klucz K jest zwarty i dokonujemy pomiaru prądu stałego i napięcia stałego na detektorze. Rys.2. Schemat połączeń elektrycznych w przystawce pomiarowej. Na podstawie pomiarów I V, z prostoliniowej części wykresu wyznaczyć rezystancję różniczkową R badanego detektora (wzór (4)). 3. Pomiar charakterystyki spektralnej czułości detektora w zakresie długości fal od 0.7 m do ok.3 m. W przystawce pomiarowej należy podłączyć rezystancję obciążenia równą rezystancji ciemnej detektora: R L = R, tzn. podłączyć opornik R L do gniazd na wtyki bananowe a następnie wcisnąć włącznik K. Wtedy klucz K jest rozwarty. Wyjście WY w przystawce pomiarowej jest połączone bezpośrednio z wyjściem z gniazd bananowych i umożliwia podanie sygnału wyjściowego z rezystancji R L na nanowoltomierz przy pomocy kabla BNC. stawić badany detektor fotoprzewodzący naprzeciw szczeliny wyjściowej monochromatora. Oświetlić detektor. W tym celu zestawić układ optyczny wg schematu przedstawionego na rys.1. Na zasilaczu halogenu ustawić napięcie 10V, szczelinę monochromatora nastawić na 0.7mm, wybrać długość fali z zakresu widzialnego, wyjustować układ optyczny (wykład (8)).

4 Źródła i 4detektory stawić wartość prądu stałego płynącego przez fotodetektor nie większą niż 10A; Wyjście WY z przystawki pomiarowej połączyć z wejściem nanowoltomierzem selektywnym/homodynowym (INPT) lub bezpośrednio z wejściem wzmacniacza pomiarowego. Wzmacniacz pomiarowy pracuje, gdy "czerwony" wtyk przewodu ze skrzynki podłączony jest do wyjścia "+" zasilacza. Zmieniając długość fali światła oświetlającego detektor mierzyć napięcie wyjściowe wy na oporności R L w zakresie długości fal od 0.7 m do ok.3 m. Policzyć stosunek napięcia wy do napięcia na wyjściu termopary termop dla zmierzonego zakresu długości fali ; znaleźć maksimum (jest to maksimum czułości detektora). la długości fali odpowiadającej temu maksimum wyznaczyć zależność napięcia na wyjściu rezystora R L od prądu stałego płynącego przez detektor fotoprzewodzący wy = f (I fotodet ) nie przekraczając maksymalnego prądu detektora równego 10A. la długości fali odpowiadającej temu maksimum wyznaczyć zależność napięcia na wyjściu rezystora R L w funkcji oporności obciążenia wy = f (R L ) przy stałej wartości prądu stałego płynącego przez detektor fotoprzewodzący. W tym celu z zestawu oporników należy wybrać ok. 10 oporników o wartości oporu od kilkudziesięciu do kilkudziesięciu (skorzystać z omomierza METEX). Oporniki należy podłączyć do wtyków bananowych w skrzynce, jednocześnie wciskając włącznik K. Aby wybrać oporność korzystając z oporów wbudowanych w przystawkę pomiarową, należy wcisnąć włącznik oznaczony odpowiednią wartością. Opracowanie wyników: 1.Charakterystyka widmowa na wyjściu detektora termicznego Narysować charakterystykę spektralną napięcia na wyjściu detektora termicznego. Zaznaczyć niepewności na wykresie. Przyjąć dla wskazań nanowoltomierza niedokładność wskazań: ± 3% dla f=15 Hz - 15 khz oraz ± 5% dla f=1,5 Hz - 15 Hz i dla f=15khz khz. Natomiast dla monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali monochromatora nie jest liniowa.. Należy zwrócić uwagę, że skala

5 Źródła i 5detektory Narysować ciemną charakterystykę I-V detektora fotoprzewodzącego. Zaznaczyć niepewności pomiaru prądu i napięcia korzystając ze wzorów: oraz. okładności pomiaru prądu i napięcia obliczyć korzystając z odpowiednich formuł dla mierników. Na podstawie prostoliniowej części wykresu korzystając z regresji liniowej wyznaczyć rezystancję różniczkową R badanego detektora (wzór (4)). Rezystancja różniczkowa jest równa odwrotności współczynnika kierunkowego prostej regresji. Wyznaczyć niepewność pomiaru rezystancji różniczkowej, korzystając ze wzoru:, gdzie jest niepewnością współczynnika kierunkowego prostej regresji. 2. Charakterystyka widmowa czułości Narysować charakterystykę spektralną napięcia na wyjściu rezystancji R L. Zaznaczyć niepewności na wykresie. Przyjąć dla wskazań nanowoltomierza niedokładność wskazań: ± 3% dla f=15 Hz - 15 khz oraz ± 5% dla f=1,5 Hz - 15 Hz i dla f=15khz khz. Natomiast dla monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali. Narysować charakterystykę spektralną czułości względnej detektora fotoprzewodzącego (wzór (1)). Zaznaczyć niepewności na wykresie. la monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali wzoru:. Niepewność pomiaru czułości obliczyć ze [ ] [ ] [ ] [ ] Obliczyć niepewność pomiaru napięcia na termoparze i na rezystancji korzystając z niedokładności równej ± 3% dla f=15 Hz - 15 khz oraz ± 5% dla f=1,5 Hz - 15 Hz i dla f=15khz khz. Z odcięcia długofalowego tej charakterystyki wyznaczyć przerwę energetyczną E g materiału półprzewodnikowego, z którego wykonano detektor. W tym celu należy

6 Źródła i 6detektory wybrać zakres prostoliniowy przebiegu czułości i korzystając z prostej regresji wyznaczyć przecięcie prostej z osią długości fali. Aby obliczyć niepewność pomiaru, należy skorzystać z niepewności wynikających z regresji liniowej i : [ ] [ ] ( ) 3. Charakterystyka widmowa wydajności kwantowej Narysować charakterystykę spektralną wydajności kwantowej (wzór (3)). Zaznaczyć niepewności na wykresie. la monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali wydajności kwantowej obliczyć ze wzoru:. Niepewność pomiaru [ ] [ ] [ ] Narysować zależność czułości detektora R v od prądu natężenia prądu stałego płynącego przez detektor fotoprzewodzacy I fotodet. Zaznaczyć niepewności na wykresie. Narysować zależność czułości detektora R v od rezystancji obciążenia R L. Zaznaczyć niepewności na wykresie. 5. Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników. Porównać parametry badanego detektora z danymi literaturowymi dla innych fotodetektorów na podobny zakres spektralny (wykład (9)). Literatura: J.Piotrowski, A.Rogalski - "Półprzewodnikowe detektory podczerwieni" Wykłady 5, 6, 8 i 9 Źródła i detektory

7 Źródła i 7detektory WZORY KONIECZNE O WYKONANIA SPRAWOZANIA 1. Spektralna czułość napięciowa detektora fotonowego R v (): R T R v () = R L A T [V/W] (1) A T gdzie R T () czułość spektralna detektora termicznego (termopary lub detektora piroelektrycznego), A T i A oświetlone powierzchnie detektora termicznego i detektora fotonowego. 2. Jak uwzględnić wzmocnienie przedwzmacniacza? Jeśli napięcie na wyjściu detektora jest wzmocnione przez wzmacniacz o wzmocnieniu k [db] i jego wartość zmierzona wynosi m., wówczas napięcie rzeczywiste na detektorze jest równe: k = 10 log 2 m 2 m 20log k log m m = 10 k/20 20 = m 10 -k/20 (2) ( Np. jeśli k = 20 = m /10 ) 3. Wydajność kwantowa detektora fotonowego: hc 1 η R v( ) eλ R 100% (3) gdzie h stała Plancka, c prędkość światła, e ładunek elektronu, - długość fali, R v () - spektralna czułość napięciowa detektora, R - rezystancją detektora nieoświetlonego: R 1 1 di I d 0 0 (4) Pytania kontrolne. 1. Model pasmowy ciała stałego. 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane. 3. Absorpcja światła w półprzewodnikach. 4. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. 5. etektory fotonowe fotoprzewodzące i parametry je charakteryzujące.