OPTOELEKTRONIKA. Ćw. II. ZJAWISKO FOTOWOLTAICZNE NA ZŁĄCZU P-N

Transkrypt

1 1 Ćw. II. ZJAWISKO FOTOWOLTAICZNE NA ZŁĄCZ P-N Cel ćwiczenia: Wyznaczenie postawowych parametrów spektralnych etektora fotowoltaicznego. Opis stanowiska: Oświetlacz - lampa halogenowa (nap. zas. o 16V). Zasilacz halogenu Z Zwierciała M1 i M2 Moulator o częstotliwości moulowania f ~ 8 Hz Monochromator - SPM2 z pryzmatami Si m o 3.5 m, G60 - j.w. NaCl 0.3 m o 10 m Detektor oniesienia - termoelement VTh-1 z okienkiem CaF, o czułości stałoprąowej 2V/W, stałej czasowej 15 ms i powierzchni światłoczułej 7 mm 2. Nanowoltomierz selektywny 233 o pomiaru fotonapięcia baanego etektora lub fotonapięcia z termopary. Wzmacniacz pomiarowy szerokopasmowy woltomierz AC, o pomiaru fotonapięcia z termopary. Baany etektor. Każy etektor ma inną powierzchnię światłoczułą. Należy zmierzyć tę powierzchnię przy pomocy mikroskopu. Kat bryłowy wejściowy monochromatora :

2 2 Przebieg ćwiczenia: 1. Pomiar charakterystyki spektralnej czułości wzglęnej etektora. a) Zmierzyć fotonapięcie na wyjściu baanego etektora w funkcji ługości fali w zakresie o 0.52 m aż o ługości fali przy której sygnał spanie o poziomu tła. - zestawić ukła wg. schematu przestawionego na rys.1, stosując jako źróło światła halogen. Zmierzyć wejściowy kąt bryłowy wiązki paającej na szczelinę wejściową monochromatora i porównać z kątem bryłowym monochromatora. W tym celu należy zmierzyć śrenicę zwierciała M1 oraz jego oległość o szczeliny. Rys.1. - ustawić na zasilaczu halogenu napięcie = 6V - otworzyć szczeliny monochromatora. stawić szerokość szczelin monochromatora na 1 mm - oświetlić etektor światłem o ługości fali z zakresu wizialnego. W tym celu wybrać opowienią ługość fali monochromatora i ustawić baany etektor w ognisku zwierciała M2, tak aby optymalnie go oświetlić. - włączyć moulator. Moulator uruchamia się popychając skrzyełka zgonie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. - połączyć wyjście etektora z wejściem NANOWOLTOMIERZA SELEKTYWNEGO ustawić maksymalny zakres pomiarowy la nanowoltomierza. - w obecności prowazącego włączyć NANOWOLTOMIERZ SELEKTYWNY 233 o sieci. - jeśli na największym zakresie pomiarowym sygnał jest bliski zeru, zmniejszać skokowo zakres pomiarowy, tak aby wychylenie wskazówki osiągnęło wartość równą ok. 2/3 zakresu pomiarowego. - skorygować położenie etektora tak, aby uzyskać maksymalne napięcie na wyjściu.

3 3 - ustawić pokrętło częstotliwości nanowoltomierza w takim położeniu, przy którym sygnał na wyjściu etektora jest największy ( f 8.3 Hz) - wykonać pomiary. b) Zmierzyć charakterystykę spektralną źróła i monochromatora la tych samych ługości fal la których zmierzono sygnał z baanego etektora. W tym celu należy zmierzyć fotonapięcie na wyjściu etektora termicznego, którym w tym ukłazie pomiarowym jest termopara. - zestawić ukła wg. schematu przestawionego na rys.1 - ustawić na zasilaczu halogenu napięcie = 16V - ustawić szczelinę monochromatora na 1 mm - wstawić termoparę na miejsce etektora i oświetlić ją światłem o ługości fali z zakresu wizialnego. - połączyć wyjście termopary z wejściem WZMACNIACZA POMIAROWEGO WP lub NANOMIERZA SELEKTYWNEGO w obecności prowazącego włączyć WP lub nanowoltomierz o sieci - wykonać pomiary, poobnie jak la etektora baanego. c) Pozielić sygnał zmierzony na wyjściu etektora D przez sygnał z termopary T. Wyznaczyć maksimum tego ilorazu. 3) Kalibracja etektora Dla ługości fali opowiaającej maksimum czułości wzglęnej etektora ( wzór (1)) wyznaczyć wartość bezwzglęną czułości. W tym celu należy zestawić ukła wg. schematu przestawionego na rys.2. i w obecności prowazącego zmierzyć sygnał na wyjściu etektora baanego a następnie termopary ustawiając je w tej samej oległości o szczeliny wyjściowej monochromatora tak, aby cała powierzchnia była oświetlona. Rys.2.

4 4 Następnie wykonać pomiary napięcia na wyjściu etektora baanego i termicznego la tej ługości fali. 4) Pomiar rezystancji różniczkowej baanego etektora fotowoltaicznego. Zmierzyć charakterystykę prąowo napięciową ciemną etektora w zakresie o 10mV o +10mV. Z zakresu prostoliniowego wyznaczyć jego oporność ciemną różniczkową ze wzoru (4). Opracowanie wyników: 1. Wykreślić charakterystykę spektralną źróła światła + monochromator., tzn. narysować wykres napięcia na wyjściu etektora termicznego w funkcji ługości fali. 2. Obliczyć czułość wzglęną etektora korzystając ze wzoru (1). Narysować wykres zależności czułości wzglęnej etektora fotowoltaicznego o ługości fali. 3. Z ocięcia ługofalowej krawęzi czułości wzglęnej wyznaczyć przerwę energetyczną materiału etektora. Zientyfikować materiał półprzewonikowy z którego wykonano etektor na postawie wykłau Dla ługości fali, la której wykonano kalibrację obliczyć wyajność kwantową ze wzoru (3). 5. Zakłaając ominację szumów termicznych obliczyć etekcyjność znormalizowaną etektora la tej ługości fali ze wzoru (5). 6. Przeprowazić yskusję otrzymanych wyników. Porównać parametry baanego etektora z opowienimi anymi literaturowymi la innych fotoprzetworników na poobny zakres spektralny. 7. Obliczyć bryłowy kąt wejściowy ukłau lustro-szczelina wejściowa monochromatora. Porównać z kątem bryłowym wejściowym monochromatora. Literatura: Wykłay: 5,6, 8 i 9 Źróła i etektory 1.J.Piotrowski, A.Rogalski, "Półprzewonikowe etektory poczerwieni" WNT 1985, rozz.1,2 i 11.

5 5 B. FOTODIODA W MODZIE PC. Wprowazenie. Najprostszym sposobem włączenia fotoioy w obwó elektryczny jest bezpośrenie połączenie o woltomierza lub amperomierza. Po oświetleniu fotosygnał mierzy się w pierwszym przypaku jako napięcie rozwarcia a w rugim jako prą zwarcia. Na rys.3 przestawiono charakterystykę prąowo napięciową nieoświetlonej ioy i po jej oświetleniu. Na rysunku zaznaczono prą zwarcia Isc i napięcie rozwarcia oc. Rys. 3. Charakterystyka I- ciemnej i oświetlonej ioy półprzewonikowej. Jenakże w celu uzyskania większego fotosygnału, fotoioa często pracuje w tzw. mozie PC. PC to skrót o angielskiego słowa photoconuctivity, czyli fotoprzewonictwo. Nazwa sugeruje, że wówczas fotoioa pracuje w takim ukłazie jak etektor fotoprzewozący. I rzeczywiście tak jest. Na rys. 4 przestawiono przykłaowy schemat ukłau w którym pracuje etektor fotowoltaiczny w mozie PC. Fotoioę polaryzuje się napięciem stałym w kierunku zaporowym ( + wyjścia zasilacza połącza się o katoy ioy). Fotonapięcie mierzy się jako spaek napięcia na oporniku RL. Tak mierzone fotonapięcie jest proporcjonalne o fotoprąu. Ponieważ fotoprą la fotoioy zależy wprost proporcjonalnie o natężenia oświetlenia światła paającego na ioę, to ten sposób pomiaru fotosygnału jest użo barziej korzystny o pomiaru napięcia rozwarcia. Ponato jeśli wartość RL jest uża, to fotonapięcie jest też barzo uże. Oczywistym jest, że z punktu wizenia pomiarów słabych sygnałów jest

6 6 to wygoniejsze, niż pomiar małego prąu zwarcia. Waą jest wzrost poziomu szumów, związanych z prąem ciemnym spowoowanym polaryzacją ioy. Rys.4. Fotoioa pracująca w mozie PC. Przebieg ćwiczenia. 1. Pomiar charakterystyki świetlnej fotoioy pracującej w mozie PC. a) Wyłączyć moulator. b) stawić fotoioę w ognisku wiązki światła z monochromatora. c) Dla ługości fali opowiaającej maksimum czułości wzglęnej fotoioy ( zmierzonej wcześniej ) zmierzyć napięcie rozwarcia i prą zwarcia fotoioy przy pomocy miernika METEX. ) Połączyć fotoioę o ukłau polaryzującego, zgonie ze schematem przestawionym na rys. 4 e) W obecności prowazącego spolaryzować fotoioę napięciem 0.1V, pamiętając aby + zasilacza został połączony o katoy ( zwykle katoa fotoioy znajuje się bliżej wypustu znajującego się na obuowie ioy). f) Zmierzyć fotonapiecie na oporniku L la napięć polaryzujących o 0.1V o 1V, co 0.1V. Opracowanie wyników 1. Narysować zależność fotonapięcia R o napięcia polaryzującego. Literatura: Wykła 6, 7 i 9 Źróła i etektory

7 7 WZORY KONIECZNE DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA. Detektory fotonowe. 1. Spektralna czułość napięciowa etektora fotonowego Rv( ): Rv( ) = RvT T A A T [V/W] (1) gzie RvT( ) czułość spektralna etektora termicznego (termopary lub etektora piroelektrycznego), AT i A oświetlone powierzchnie etektora termicznego i etektora fotonowego. 2. Jak uwzglęnić wzmocnienie przewzmacniacza? Jeśli napięcie na wyjściu etektora jest wzmocnione przez wzmacniacz o wzmocnieniu k [B] i jego wartość zmierzona wynosi m., wówczas napięcie rzeczywiste na etektorze jest równe: k = 10 log 2 m 2 20 log m log m k 20 m = 10 k/20 = m 10 -k/20 (2) ( Np. jeśli k = 20 = m/10 ) 3. Wyajność kwantowa etektora fotowoltaicznego: hc 1 η R v ( ) 100 [%] (3) eλ R gzie h stała Plancka, c prękość światła, e łaunek elektronu, - ługość fali, Rv( ) - spektralna czułość napięciowa etektora, R- rezystancją różniczkową etektora nieoświetlonego. I R 1 0 Aby obliczyć bezwzglęną wartość wyajności kwantowej la etektora fotoprzewozącego, należy uwzglęnić jeszcze współczynnik wzmocnienia G ( patrz notatki o wykłau 9), jenakże zależność funkcyjna ( ) bęzie określona poprzez iloraz Rv( )/ zgonie ze wzorem (3). 4. Detekcyjność znormalizowana Przy założeniu, że ominują szumy termiczne etekcyjność znormalizowana etektora fotowoltaicznego wyraża się wzorem: (4)

8 8 e RA D* 2hc kt 1/ 2 mhz 1/2 /W] (5) gzie R jest rezystancją różniczkową etektora nieoświetlonego, k stałą Boltzmanna, T temperaturą pracy etektora. W tym wzorze wyajność kwantowa nie jest poana w %, czyli prze postawieniem o wzoru (5) należy wartość obliczoną ze wzoru (3) pozielić przez 100. Pytania kontrolne 1. Moel pasmowy ciał stałych. 2. Półprzewoniki samoistne i omieszkowane. 3. Złącze p-n. Charakterystyka prąowo-napięciowa. 4. Oziaływanie światła z pólprzewonikiem. 5. Efekt fotowoltaiczny. 6. Parametry charakteryzujące właściwości etektorów promieniowania.

9 9