1 OPTOELEKTRONIKA 3. FOTOTRANZYSTOR

Transkrypt

1 1 3. FOORNZYSOR Wprowazenie. Konstrukcja fototranzystora jest zbliżona o konstrukcji zwykłego tranzystora wzmacniającego z tą różnicą, że obuowa umożliwia oświetlenie obszaru jego bazy (rysunek 1). W większości fototranzystorów nie stosuje się wyprowazenia bazy na zewnątrz. Rys. 1. Buowa fototranzystora. rzązenie to najczęściej pracuje w ukłazie wspólnego emitera. ranzystor n-p-n w ukłazie o wspólnym emiterze, pracuje w ten sposób, że złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewozenia a baza-kolektor w kierunku zaporowym. Przez złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewozenia (baza-emiter) płynie uży prą nośników większościowych, elektronów z n o p i ziur z p o n. Prą elektronowy w obszarze bazy (p ) jest prąem nośników mniejszościowych, który z kolei jest ominującym prąem gy złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym. Pole elektryczne wzmacnia ten prą. W ten sposób w tranzystorze uzyskuje się uże wzmocnienie prąowe: prą kolektora jest zwykle wa rzęy większy o prąu bazy. W fototranzystorze baza nie jest nigzie połączona elektrycznie, czyli złącze baza-emiter jest rozwarte. Fotony generują w tej sytuacji fotonapięcie, które jest równoważne spolaryzowaniu złącza emiter-baza w kierunku przewozenia. Dalej fototranzystor ziała jak zwykły tranzystor. Doatkowo ziury generowane w obszarze p (bazy) i te wciągane z obszaru kolektora zmniejszają napięcie na złączu baza-emiter, zwiększając prą nośników większościowych. Zmiany w obszarze bazy spowoowane oświetleniem obserwuje się w obwozie kolektora, zwykle mierząc spaek napięcia na oporniku połączonym z kolektorem. Na rys.2 przestawiono schemat ukłau o wyznaczania charakterystyk prąowo-

2 2 napięciowych i oświetleniowych fototranzystora. Dla fototranzystora n-p-n kolektor połącza się o wyjścia + zasilacza a emiter o wyjścia -. Rys. 2. Schemat ukłau polaryzującego fototranzystor n- p-n. Fototranzystory charakteryzują się użą czułością (wielokrotnie większą o czułości ioy) i wzmocnieniem (rzęu ), natomiast ich waą jest niezbyt uża szybkość ziałania, częstotliwość graniczna wynosi około 200kHz. Ponato zależność sygnału elektrycznego o mocy promieniowania optycznego paającego na złącze jest nieliniowa (zależność prąu kolektora o natężenia oświetlenia jest poobna jak w przypaku tranzystora konwencjonalnego o napięcia bazy). Fotoioy w tym przypaku oznaczają się barzo użym zakresem liniowości sygnału oraz barzo użą szybkością ziałania. Na rysunku 3 przestawiono przykłaową zależność fotoprąu (prąu kolektora) w funkcji napięcia kolektor - emiter la różnych wartości natężenia oświetlenia. Jak wiać charakterystyka ta jest poobna o zależności prąu kolektora w funkcji napięcia kolektor emiter zwykłego tranzystora. I F Rys.3. Charakterystyki statyczne fototranzystora, I F = f( CE ) la różnych wartości natężenia oświetlenia. Fototranzystor krzemowy, proukcji polskiej typu BPYP21, o strukturze n-p-n wymaga napięcia zasilającego (napięcia CE ) równego 5 V. Prą ciemny fototranzystora jest równy 0,1, a prą fotoelektryczny przy oświetleniu E =1000 lx wynosi 2 m. Graniczna częstotliwość pracy wynosi 90 khz.

3 3 POMIRY Cel ćwiczenia: Wyznaczenie charakterystyki statycznej I-V oraz charakterystyki spektralnej fototranzystora. Opis stanowiska: Oświetlacz - lampa halogenowa (nap. zas. o 16V). Zasilacz halogenu Z Zwierciała M1 i M2 Moulator o częstotliwości moulacji f ~ 18 Hz Monochromator - SPM2 z pryzmatami Si m o 3.5 m, G60 - j.w. NaCl 0.3 m o 10 m Detektor oniesienia - termoelement Vh-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 etektora termicznego (termopary). Baany fototranzystor Przebieg ćwiczenia: 1. Pomiar charakterystyki spektralnej czułości wzglęnej fototranzystora. a) zestawić ukła wg. schematu przestawionego na rys.1, stosując jako źróło światła halogen. stawić na zasilaczu halogenu napięcie = 16V b) ustawić szczelinę monochromatora na 1 mm c) oświetlić fototranzystor światłem o ługości fali z zakresu wizialnego. W tym celu wybrać opowienią ługość fali monochromatora i ustawić baany fototranzystor w ognisku zwierciała M2, tak aby optymalnie go oświetlić.

4 4 Rys.1. c) Połączyć fototranzystor o ukłau polaryzującego, zgonie ze schematem przestawionym na rys. 2. ) W obecności prowazącego spolaryzować fototranzystor napięciem 0.4 V, pamiętając aby + zasilacza został połączony o kolektora a - o emitera. Opowiaa to połączeniu - zasilacza o gorącego wejścia gniaza w skrzynce. e) Zmierzyć napięcie stałe na oporze R w funkcji ługości fali w zakresie o 600nm aż o ługości fali przy której sygnał spanie o poziomu 10-3 wartości maksymalnej. Ponieważ mierzone jest napięcie stałe, moulator jest poczas tego pomiaru wyłączony. f) Zmierzyć charakterystykę spektralną źróła i monochromatora la tych samych ługości fal la których zmierzono sygnał z baanego fototranzystora. 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 fototranzystora i oświetlić ją światłem o ługości fali z zakresu wizialnego. - włączyć moulator; moulator uruchamia się popychając skrzyełka zgonie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. - połączyć wyjście termopary z wejściem NNOMIERZ SELEKYWNEGO 233

5 5 - w obecności prowazącego włączyć nanowoltomierz 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 termopary tak, aby uzyskać maksymalne napięcie na wyjściu. - ustawić pokrętło częstotliwości nanowoltomierza w takim położeniu, przy którym sygnał na wyjściu termopary jest największy (ok. 18Hz) - wykonać pomiary. 2) Pomiar charakterystyki I-V fototranzystora a) Wyznaczyć maksimum na charakterystyce spektralnej czułości wzglęnej fototranzystora (w tym celu należy pozielić sygnał z fototranzystora przez sygnał z etektora termicznego i znaleźć maksimum tego ilorazu). b) Dla ługości fali opowiaającej temu maksimum zmierzyć zależność fotosygnału z fototranzystora, tj, napięcia R =I F R w funkcji napięcia kolektor emiter, o 0.1V o 1V co 0.02V o 0.3V i alej co 0.1V o 1.5V. Rys.2. kła polaryzujący fototranzystor n-p-n Opracowanie wyników a) Narysować wykres czułości wzglęnej fototranzystora w funkcji ługości fali światła. R v ( ) = R v ( ) [V/W] (1) gzie R v ( ) czułość spektralna etektora termicznego, i oświetlone powierzchnie etektora termicznego i fototranzystora. Na postawie tego wykresu określić przerwę wzbronioną i zientyfikować materiał półprzewonikowy z którego wykonano fototranzystor.

6 6 b) Narysować wykres zależności fotosygnału fototranzystora R w funkcji napięcia kolektor emiter CE la kilku różnych napięć lampy halogenowej. Porównać z charakterystyką I C =f( CE ) la zwykłego tranzystora. WZORY KONIECZNE DO WYKONNI SPRWOZDNI. Detektory fotonowe. 1. Spektralna czułość napięciowa etektora fotonowego R v ( ): R v ( ) = R v [V/W] (1) gzie R v ( ) czułość spektralna etektora termicznego (termopary lub etektora piroelektrycznego), i oświetlone powierzchnie etektora termicznego i etektora fotonowego. 2. Charakterystyka spektralna etektora fotonowego: R v ( ) η ~ (j.u.) (3) λ gzie - ługość fali, R v ( ) - spektralna czułość napięciowa etektora. 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. ranzystor i fototranzystor. Zasaa ziałania. 7. Parametry charakteryzujące właściwości etektorów promieniowania.