2.1. Charakterystyki statyczne i parametry fotodiody krzemowej

Transkrypt

1 1. CL ĆWCNA Celem ćwiczenia jest poznanie charakterystyk statycznych i parametrów wybranych półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych. Przedmiotem ćwiczenia jest otodioda krzemowa, diody elektroluminescencyjne oraz wskaźnik cyrowy zbudowany z wykorzystaniem takich diod. Ponadto w trakcie ćwiczenia badany jest transoptor, w którym źródłem promieniowania jest dioda elektroluminescencyjna, zaś otodetektorem ototranzystor bipolarny. 2. WPROWADN 2.1. Charakterystyki statyczne i parametry otodiody krzemowej Fotodioda krzemowa moŝe być wykorzystana jako detektor promieniowania widzialnego i podczerwonego. W ćwiczeniu wykonuje się pomiary charakterystyk statycznych ( ) otodiody, odpowiadających jej pracy w roli otodetektora, tzn. przy polaryzacji zaporowej. Dodatkowo, mierzy się napięcie otoelektryczne związane z zastosowaniem otodiody jako ogniwa otoelektrycznego, czyli źródła mocy przetwarzającego bezpośrednio energię promieniowania elektromagnetycznego w energię elektryczną. Charakterystyki statyczne otodiody mogą być opisane następującym równaniem gdzie oznacza natęŝenie oświetlenia, VT (, ) = S e 1 S, (1) S to czułość prądowa otodiody, natomiast S oznacza prąd ciemny otodiody, V T to potencjał elektrokinetycznm. Jak widać ze wzoru (1), w prądzie otodiody moŝna wyróŝnić dwa składniki: pierwszy jest identyczny jak prąd diody idealnej ze złączem p-n, drugi, nazwany otoprądem, wynika z oświetlenia i zaleŝy liniowo od natęŝenia oświetlenia. = 1 > z ( 1 ) ( 1 ) 2 > 1 Rys. 1 Charakterystyki statyczne ( ) otodiody 1

2 Charakterystyki ( ) otodiody, odpowiadające zaleŝności (1), pokazano na Rys. 1. Jak widać, parametrem rodziny charakterystyk jest natęŝenie oświetlenia wyraŝone w jednostkach otometrycznych (luxach). W zaleŝności ( ) oświetlonej otodiody moŝna wyróŝnić dwa punkty charakterystyczne: prąd zwarciowy oświetlenia i opisany zaleŝnością, tzn. prąd otodiody przy =, liniowo zaleŝny od natęŝenia = S, (2) napięcie otoelektryczne, tzn. napięcie przy =, zaleŝne logarytmicznie od natęŝenia oświetlenia Czułość prądowa otodiody jest zdeiniowana następująco: S = VT ln 1. (3) S S =. (4) = const Czułość ta zaleŝy od długości ali padającego promieniowania, o czym mówi charakterystyka widmowa elementu. Dla otodiod krzemowych optymalna długość ali, przy której czułość jest największa, odpowiada zakresowi bliskiej podczerwieni. Jednak elementy krzemowe posiadają równieŝ odpowiednio duŝą czułość na światło białe. aleŝność czułości od punktu pracy (w zakresie zaporowym) jest słaba. Przez otodiodę nieoświetloną, spolaryzowaną zaporowo, płynie tzw. prąd ciemny S. W przypadku rzeczywistej otodiody krzemowej dominującym składnikiem prądu wstecznego jest prąd generacyjny, silnie zaleŝny od temperatury Charakterystyki i parametry diod elektroluminescencyjnych Diody elektroluminescencyjne (LD-y), powszechnie stosowane jako źródła promieniowania, są zbudowane z materiałów półprzewodnikowych, w których występuje rekombinacja promienista nośników swobodnych. Są to, dla przykładu, arsenek galu GaAs, osorek galu GaP i arsenoosorek GaAsP. misja promieniowania, wywołana zjawiskiem elektroluminescencji, zachodzi przy polaryzacji przewodzącej diody. Długość ali emitowanej (barwa świecenia) zaleŝy od uŝytego półprzewodnika oraz od poziomu jego domieszkowania. Charakterystyki statyczne LD-a moŝna aproksymować dla kierunku przewodzenia zaleŝnością ( ) identyczną, jak dla diody idealnej ze złączem p-n. e względu na większe wartości szerokości przerwy energetycznej w półprzewodnikach uŝytych do konstrukcji LDów, wartość spadku napięcia przy typowej wartości prądu jest w LD-ach większa niŝ w diodach krzemowych. stnieje szereg deinicji sprawności LD-ów. Najistotniejsza, z punktu widzenia uŝytkownika, jest sprawność rozumiana jako stosunek mocy promieniowania wyemitowanego przez element do mocy elektrycznej dostarczonej do elementu. Ta wielkość zaleŝy od wielu czynników, m.in. od konstrukcji diody, i jej wartość typowo wynosi co najwyŝej kilka procent. 2

3 Okazuje się więc, Ŝe w celu uzyskania oczekiwanego eektu, tj. emisji promieniowania o odpowiedniej mocy (światłości), naleŝy do elementu dostarczyć względnie duŝą moc elektryczną. Szczególnie niekorzystnie pod tym względem wypada porównanie LD-ów z elementami ciekłokrystalicznymi Charakterystyki i parametry transoptora Transoptor jest czwórnikiem składającym się ze źródła promieniowania (rolę tę moŝe pełnić LD), odcinka światłowodu oraz otodetektora. Fotodetektorem moŝe być ototranzystor bipolarny, typowo pracujący bez wyprowadzenia elektrody bazy. e względu na dopasowanie charakterystyk widmowych, LD jest wykonany przewaŝnie z arsenku galu, zaś ototranzystor z krzemu. Statyczne charakterystyki wejściowe ( ) 1 1 transoptora to charakterystyki ( ) LD-a spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Natomiast statyczne charakterystyki, w przypadku uŝycia ototranzystora bipolarnego, to rodzina wyjściowe transoptora ( ) jego charakterystyk wyjściowych ( ), gdzie parametrem jest prąd LD-a, czyli prąd C C wejściowy 1 transoptora. WaŜnym parametrem transoptora jest współczynnik wzmocnienia prądowego (nazywany teŝ przekładnią prądową) zdeiniowany następująco K K =, (5) 1 = const gdzie oznacza prąd wyjściowy (prąd kolektora ototranzystora), zaś C 1 to prąd wejściowy (prąd LD-a spolaryzowanego w kierunku przewodzenia). PoniewaŜ transoptor bardzo często wykorzystuje się do separacji galwanicznej obwodu wejściowego od wyjściowego, więc wartość współczynnika wzmocnienia K mogą być mniejsze od 1, a w przypadku uŝycia otodiody jako otodetektora, są nawet znacznie mniejsze. e(t) u C (t) t C.9 C.1 C t ON t OFF Rys. 2 Przebieg wejściowy e( t ) oraz wyjściowy u ( ) C transoptora t przy pomiarze parametrów impulsowych 3

4 Na Rys. 2 pokazano odpowiedź transoptora, tj. przebieg czasowy napięcia u ( t ) ototranzystora, na pobudzenie LD-a przebiegiem prostokątnym o duŝej amplitudzie. nercja elektryczna transoptora wynika z inercji elektrycznej elementów półprzewodnikowych u t uŝytych do jego konstrukcji. Jak widać z Rys. 2, na podstawie przebiegu napięcia ( ) moŝna zdeiniować czas włączenia t ON oraz czas wyłączenia t OFF transoptora. 3. ADANA 3.2. adania do wykonania w laboratorium 1. Pomiar charakterystyk statycznych otodiody W układzie przedstawionym na Rys. 3 pomierzyć charakterystyki statyczne ( ) otodiody krzemowej BPYP35 w zakresie zaporowym, przy następujących wartościach natęŝenia oświetlenia 1 =.5klx, 2 =.61klx oraz 3 = 1klx. Dla wartości natęŝenia 2 i 3 zmierzyć wartość natęŝenia prądu zwarciowego. 2 Po rozwarciu obwodu zasilania otodiody (warunek = zapewnia wyłączenie amperomierza) pomierzyć wartość napięcia otoelektrycznego przy wartościach natęŝenia C C oświetlenia 2 i kΩ A V RN max =5mA TM V Rys. 3 kład do pomiaru charakterystyk statycznych ( ) otodiod WAGA. Badana otodioda jest zainstalowana w ciemni optycznej (Rys. 4) stanowiącej podzespół w postaci zaczernionej rurki wraz ze źródłem światła w postaci Ŝarówki zasilanej napięciem 6 V. Na podstawie tabeli skalowania Tab. 1 moŝna określić odległość d otodiody od źródła światła zapewniające wymagane wartości natęŝenia oświetlenia D Rys. 4 Fotodioda w ciemni optycznej 4

5 Tab. 1. Tabela skalowania ciemni optycznej [ klx ] d [ mm] Obliczyć na podstawie wyników pomiarów czułość prądową S otodiody przy = 1V i dla = 1klx, przyjmując S = / i porównać ją z wartością katalogową, 2. Na podstawie obliczonej wartości czułości prądowej S oraz zmierzonych wartości prądu zwarciowego Φ obliczyć wartość napięcia otoelektrycznego przy = 1k lx ; otrzymany wynik obliczeń porównać z wartością uzyskaną z pomiarów. Do obliczeń przyjąć wartość katalogową prądu ciemnego =.2µ A. 3. Badanie diod elektroluminescencyjnych W układzie pomiarowym pokazanym na Rys. 5 zmierzyć charakterystyki statyczne diod elektroluminescencyjnych D 1 (zielona), D 2 (czerwona), D 3 (pomarańczowa). anotować wartości prądu i napięcia odpowiadające subiektywnie określonemu progowi świecenia. Wykreślić zmierzone charakterystyki na wspólnym wykresie. S 3Ω LD A 4 D 1 D 2 V 4 D 3 Rys. 5 kład do pomiaru charakterystyk diod LD 4. Badanie wskaźnika siedmiosegmentowego Dla wskaźnika cyrowego LTS547 w układzie pomiarowym pokazanym na Rys. 6 pomierzyć prąd i napięcie na progu świecenia dla segmentu a. Ponadto oszacować moc potrzebną do zadowalającego wyświetlenia cyry 5. 3Ω A 3 segment LTS 547 V 3 Rys. 6. kład do badania segmentu wskaźnika cyrowego 5

6 Badanie transoptora 5. W układzie pokazanym na Rys. 7 pomierzyć charakterystykę wejściową 1 ( 1) oraz charakterystyki wyjściowe ( ) przy 1 = 5, 7.5,1[ ma] transoptora LTV817. 3Ω A 1 A 2 V 2 LTV817 Rys. 7. kład do pomiaru charakterystyk transoptora LTV817 Wykreślić pomierzone charakterystyki transoptora. Obliczyć przekładnię prądową K = 2 / 1 przy 1 = 1mA oraz 2 = 4V. 6. W układzie pokazanym na Rys. 8 pomierzyć czas włączenia t ON i czas wyłączenia t OFF transoptora (deinicje tych czasów patrz Rys. 2). aobserwować niezniekształcony przebieg u t dla częstotliwości przebiegu wejściowego = 1kHz oraz odszkicować wyjściowy ( ) C zniekształcony przebieg wyjściowy przy częstotliwości przebiegu wejściowego = 3kHz. CH1 CH2 3Ω 5.1kΩ G432 LTV817 Rys. 8. kład do obserwacji pracy impulsowej transoptora WYPOSAśN STANOWSKA LABORATORYJNGO 1. Napięcia zasilające: stałe oraz 15V. 2. kłady laboratoryjne i podzespoły: ciemnia optyczna z otodiodą BPYP35, tablica montaŝowa z diodami LD, wskaźnikiem siedmiosegmentowym oraz transoptorem, sonda RC. 6