Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 7

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 7 Temat: Badanie właściwości elektrycznych półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych.. Cel ćwiczenia: Poznanie budowy, zasady działania, charakterystyk i parametrów elektrycznych wybranych elementów optoelektronicznych. I. Wymagany zasób wiadomości. Do poprawnego wykonania ćwiczenia niezbędne jest opanowanie wiadomości na temat: 1. Absorbcja i emisja promieniowania świetlnego w półprzewodniku; 2. Zewnętrzne i wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne; 3. Energetyczne modele pasmowe półprzewodników w funkcji wektora falowego; 4. Podział półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych; 5. Fotodetektory i fotoogniwa; 6. Źródła światła i wskaźniki optoelektroniczne; 7. Właściwości elektryczne, charakterystyki prądowo-napięciowe: fotorezystora, fotodiody, fotoogniwa, fototranzystora; 8. Budowa i właściwości fotoelekrtyczne transoptorów; 9. Parametry dynamiczne elementów optoelektronicznych - praca w obwodach przełączających. 1

2 II. Wykonanie ćwiczenia. Stanowisko laboratoryjne składa się z dwóch przystawek służących do pomiaru: charakterystyk statycznych pojedynczych elementów optoelektronicznych, charakterystyk statycznych transoptorów, parametrów dynamicznych. Ponadto dodatkowy element stanowi układ optyczny stanowiący jednocześnie ciemnię, w której umieszczane się elementy badane. Do zasilania przystawek służą zasilacze laboratoryjne. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE POJEDYNCZYCH ELEMENTÓW OPTOELEKTRONICZNYCH 1. Pomiar charakterystyk statycznych diody elektroluminescencyjnej. Pomiaru charakterystyk statycznych diod elektroluminescencyjnych dokonuje się w układzie pomiarowym którego schemat przedstawiony jest na Rys.1. Przed wykonywaniem pomiarów podłączyć zasilania +15V do zacisków wejściowych przystawki. Rys. 1 Schemat elektryczny układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk statycznych diod elektroluminescencyjnych. 2

3 1.1. Pomiar charakterystyk w kierunku przewodzenia. 1. Ustawić przełącznik polaryzacji w położenie "Przew. " 2. Wcisnąć przełącznik wybierający diodę przeznaczoną do pomiarów. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe w miejscach oznaczonych na płycie czołowej. 4. Dla zakresu napięcia U F od zera do wartości przy której płynie prąd I F Max, zdjąć charakterystykę statyczną I F =f(u F ). 5. W ten sam sposób pomierzyć charakterystykę następnej diody elektroluminescencyjnej. Wykreślić charakterystyki I F =f(u F ) dla kilku diod o różnych barwach świecenia. 2. Pomiar charakterystyk statycznych fotorezystora. Pomiaru charakterystyk statycznych fotorezystora dokonuje się w układzie pomiarowym którego schemat przedstawiony jest na Rys.2. W czasie wykonywania pomiarów element badany powinien znajdować się w układzie optycznym. Rys. 2 Schemat elektryczny układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk fotorezystora Pomiar charakterystyk statycznych. 1. Podłączyć żarówkę do regulatora źródła światła. 2. Element badany połączyć do układu pomiarowego. 3

4 3. Dla wartości napięcia U od U=0V do wartości przy której spełniona będzie zależność I U<P Max (praktycznie I 10 ma, U 5 V) zdjąć charakterystykę I=f(U), przy E v const dla kilku wybranych wartości natężenia oświetlenia. 4. Wykreślić rodzinę charakterystyk I=f(U). 5. Na podstawie charakterystyk statycznych obliczyć rezystancję R, przy kolejnych wartościach natężenia oświetlenia E ν Pomiar charakterystyk sterowania. 1. Podłączyć żarówkę do regulatora źródła światła. 2. Element badany podłączyć do układu pomiarowego. 3. Dla wartości natężenia oświetlenia E ν od 0 lx do wartości przy której spełniona jest zależność I U<P Max (praktycznie I 10 ma, U 5 V) zdjąć charakterystykę I=f(E ν ), dla wybranych wartości napięcia (np. U=1V i U=5V). 4. Wykreślić charakterystyki I=f(E ν ). 3. Pomiar charakterystyk statycznych fotodiody w układzie fotoogniwa. Pomiar charakterystyk statycznych fotoogniwa dokonuje się w układzie pomiarowych którego schemat przedstawiony jest na Rys.3. W czasie wykonywania pomiarów element badany powinien znajdować się w układzie optycznym. Rys. 3 Schemat elektryczny układu pomiarowego do wyznaczania parametrów fotoogniwa. 4

5 3.1. Pomiar charakterystyk sterowania. 1. Podłączyć żarówkę do złącza regulatora źródła światła. 2. Podłączyć element badany do układu pomiarowego. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 4. Dla wartości natężenia oświetlenia E ν od 0 lx do 10 klx, zdjąć charakterystykę I P =f(e ν ) przy R=const. dla wybranych wartości R (w tym R=0 i R= ). 5. Wykreślić rodzinę charakterystyk sterowania I P =f(e ν ) Pomiar charakterystyk obciążenia. 1. Podłączyć żarówkę do złącza regulatora źródła światła. 2. Podłączyć element badany do układu pomiarowego. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 4. Dla kilku wybranych wartości E ν zdjąć charakterystykę obciążenia I P =f(r) przy E ν = const. 5. Wykreślić rodzinę charakterystyk obciążenia I P =(R). 4. Pomiar charakterystyk statycznych fotodiody. Pomiaru charakterystyk fotodiody dokonuje się w układzie pomiarowym którego schemat przedstawiony jest na Rys. 4. W czasie wykonywania pomiarów element badany powinien znajdować się w układzie optycznym. Rys. 4 Schemat elektryczny układu pomiarowego do wyznaczania parametrów fotodiody. 5

6 4.1. Pomiar charakterystyk statycznych. 1. Podłączyć żarówkę do złącza regulatora źródła światła. 2. Podłączyć element badany do układu pomiarowego. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 4. Dla kilku wartości natężenia oświetlenia E ν (w tym dla E ν =0 lx), zdjąć charakterystykę statyczną fotodiody I R =f(u R ) przy E ν =const. w zakresie napięć U R od zera do wartości przy której spełniona jest zależność IR UR < Pad (praktycznie U 10 R V ) 5. Wykreślić rodzinę charakterystyk I R =f(u R ). 6. Korzystając z charakterystyk statycznych wyznaczyć statyczną czułość fotodiody Pomiar charakterystyk sterowania. 1. Podłączyć żarówkę do złącza regulatora źródła światła. 2. Podłączyć element badany do układu pomiarowego. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 4. Dla kilku wartości U R zdjąć charakterystykę sterowania fotodiody I R =f(e ν ) przy U R =const. 5. Wykreślić rodzinę charakterystyk sterowania I R =f(e ν ). 6

7 5. Pomiar charakterystyk statycznych fototranzystora. Pomiaru charakterystyk fototranzystora dokonuje się w układzie pomiarowym którego schemat przedstawiony jest na Rys. 5. W czasie wykonywania pomiarów element badany powinien znajdować się w układzie optycznym. Rys. 5 Schemat elektryczny układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk fotorezystora Pomiar charakterystyk statycznych. 1. Podłączyć żarówkę do złącza regulatora źródła światła. 2. Podłączyć element badany do układu pomiarowego. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 4. Przełącznik obciążenia ustawić w położenie 3 (bez obciążenia). 5. Dla kilku wartości natężenia oświetlenia E ν (w tym dla E ν =0 lx), zdjąć charakterystyki statyczne fototranzystora I C =f(u CE ) przy E ν =const. (U CE 5V, I C 10mA). 6. Wykreślić rodzinę charakterystyk statycznych wyjściowych fototranzystora I C =f(u CE ) Pomiar charakterystyk sterowania. 1. Podłączyć żarówkę do złącza regulatora źródła światła. 2. Podłączyć element badany do układu pomiarowego. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 4. Przełącznik obciążenia ustawić w położenie 3 (bez obciążenia). 7

8 5. Dla kilku wartości U CE zdjąć rodzinę charakterystyk sterowania I C =f(e ν ) przy U CE =const. (U CE 5V, I C 10mA). 6. Wykreślić rodzinę charakterystyk sterowania fototranzystora I C =f(e ν ). 7. Korzystając z charakterystyk sterowania wyznaczyć czułość fototranzystora Pomiar charakterystyk roboczych. 1. Podłączyć żarówkę do złącza regulatora źródła światła. 2. Podłączyć element badany do układu pomiarowego. 3. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 4. Dla wybranej wartości napięcia zasilania U CC i stałych wartości rezystancji obciążenia R L zdjąć rodzinę charakterystyk roboczych fototranzystora, I C =f(e ν ) przy U CC =const. i rezystancji obciążenia R L =0, R19, R20 (U CE 5V, I C 10mA). 5. Wykreślić rodzinę charakterystyk roboczych fototranzystora I C =f(e ν ). 8

9 POMIARY CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH TRANSOPTORÓW ORAZ PARAMETRÓW DYNAMICZNYCH. 1. Pomiar charakterystyk statycznych transoptora. Pomiaru charakterystyk statycznych transoptorów wykonuje się w układzie pomiarowym którego schemat przedstawiony jest na Rys. 1. W czasie pomiarów badany transoptor umieszczony jest w podstawce. Uwaga: Do pomiaru charakterystyk transoptora napięcie z zasilacza podłączamy do zacisków - masa (zielony) i +30V (czerwony). Klawisz wyboru napięcia zasilania wciśnięty 30V Pomiar charakterystyk przejściowych transoptora. Włożyć element badany do podstawki. 1. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 2. Dla wybranych wartości napięcia wyjściowego U wyj (np. 2V, 3V ) zdjąć charakterystyki przejściowe I wyj =f(i wej ), dla I wej od 0 do 10mA, U wyj 5V. 3. Wykreślić charakterystyki przejściowe transoptora I wyj =f(i wej ). 4. Na podstawie otrzymanych charakterystyk obliczyć współczynnik wzmocnienia prądowego K Pomiar charakterystyk wyjściowych transoptora. 1. Włożyć element badany do podstawki. 2. Podłączyć przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na płycie czołowej. 3. Dla wybranych wartości prądu wejściowego I wej (np. 2mA, 3mA i 5mA) zdjąć charakterystyki wyjściowe I wyj =f(u wyj ), przy I wej =const. Napięcie wyjściowe zmieniać od 0V do 5V. 4. Wykreślić charakterystyki wyjściowe transoptora I wyj =f(u wyj ). 9

10 2. Pomiar parametrów dynamicznych elementów optoelektronicznych Osc. Kan. A Osc. Kan. A IR = 100 ma Dioda elektrolum. Wy 1 IR = 50 ma Wy 2 Dioda elektrolum. 10μs 100ns 50μs Generator impulsów wzorcowych Wy 3 UCC = 5V UCC = 30V 100Ω 50Ω Obciążenie Fotoogniwo Fotodioda 430Ω Fototranzystor 1000Ω Fotodetektor Kan. B Osc. 4 3 UCC Osc. Kan. A 1 2 Transoptor Kan. B Osc. Rys. 2 Płyta czołowa stanowiska do pomiarów parametrów dynamicznych elementów Pomiary parametrów dynamicznych wykonuje się w przystawce do pomiarów czasów narastania i opadania (Rys. 2). W czasie pomiarów fotonadajnik optoelektronicznych.jak i fotoodbiornik znajdują się w łączu optycznym. Do pomiarów wykorzystany jest oscyloskop dwukanałowy Pomiar parametrów dynamicznych transoptorów. 1. Wstępne ustawienie oscyloskopu: wyzwalanie - kanał A rodzaj pracy - ALT wyzwalanie - sinusoida czułość napięciowa kanału A i B - 1V/cm czułość podstawy czasu - 10μs/cm wszystkie pozostałe klawisze wyłączone 2. Badany transoptor umieścić w podstawce. 3. Oscyloskop podłączyć do układu pomiarowego (kanał A podstawki do kanału A oscyloskopu). 4. W kanale A powinno uzyskać się przebieg czasowy z generatora wzorcowego a w kanale B przebieg czasowy z transoptora. 10

11 5. Z przebiegu w kanale B oscyloskopu odczytać: czas narastania t r od wartości 10% amplitudy do 90% wartości czas opadania t f od wartości 90% amplitudy do 10% wartości 6. Z przebiegu w kanale B oscyloskopu odczytać czasy narastania i opadania dla różnych wartości obciążenia (100Ω, 430Ω, 1kΩ). 7. Przerysować przebiegi na papier milimetrowy Pomiar czasów narastania i opadania impulsów. 1. Diodę elektroluminescencyjną (fotoemiter) podłączyć do wyjścia oznaczonego na płycie czołowej. 2. Przełącznikiem wyboru fotodetektora wybrać badany element (fototranzystor, fotodioda, fotoogniwo). 3. Fotodetektor badany podłączyć do wejścia oznaczonego na płycie czołowej. 4. Dokonać wstępnego ustawienia oscyloskopu - jak w punkcie Podłączyć oscyloskop, kanał A do fotoemitera, kanał B do fotodetektora. 6. Przełącznik obciążenia ustawić w położenie 50Ω 7. Z przebiegu w kanale B oscyloskopu odczytać: czas narastania t r od wartości 10 o /o amplitudy impulsu, do wartości 90 o /o amplitudy czas opadania t f od wartości 90 o /o amplitudy impulsu, do wartości 10 o /o amplitudy Pomiar zależności czasów przełączania od rezystancji obciążenia. 1. Dioda elektroluminescencyjna podłączyć do wyjścia oznaczonego na płycie czołowej. 2. Przełącznik wyboru fotoelementu wybrać badany element. 3. Fotodetektor badany podłączyć do wejścia oznaczonego na płycie czołowej. 4. Dokonać wstępnego ustawienia oscyloskopu - jak w punkcie Podłączyć oscyloskop, kanał A do fotoemitera, kanał B do fotodetektora. 6. W sposób jak powyżej pomierzyć czasy narastania i opadania dla wartości obciążenia 100Ω, 430Ω, 1kΩ. 11

12 III. Opracowanie wyników 1. Wykreślić rodziny charakterystyk I(U) zbadanych przyrządów optoelektronicznych. 2. Obliczyć parametry elektryczne zbadanych elementów, wskazane przez prowadzącego. 3. Na podstawie charakterystyki wejściowej określić jaki element optoelektroniczny znajduje się na wejściu transoptora. 4. Na podstawie charakterystyki wyjściowej określić jaki element optoelektroniczny znajduje się na wyjściu transoptora. 5. Na podstawie charakterystyki przejściowej określić właściwy obszar pracy transoptora oraz jego własności. 6. Na podstawie przerysowanych przebiegów oscyloskopowych wykonać pomiary czasów: narastania, opadania i przełączania transoptora dla kilku wartości obciążenia. 7. Ocenić wpływ obciążenia na własności dynamiczne transoptora. 12

13 OZNACZENIA KOŃCÓWEK TRANSOPTORÓW CNMP 11, CNAP 22 CNRP 22, CQ 22 BPA (1) (2) (3) (4) (1) (2) (3) (4) CNSP 16 CNMP PODSTAWOWE PARAMETRY GRANICZNE BADANYCH TRANSOPTORÓW Typ I FI [ma] U RI [V] U CE [V] U RO [V] CNMP CNAP CNRP CQ 22 BPA CNMP CNSP

14 Strona tytułowa sprawozdania LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Grupa... Zespół... Nr ćwiczenia... Lp Nazwisko i imię Ocena Data wykonania ćwiczenia... kol. wyk. wst. ćw.. Prowadzący zajęcia Data oddania sprawozdania TEMAT ĆWICZENIA: