LABORATORM LKTRONK ĆWCN 5 PRYRĄDY OPTOLKTRONCN K A T D R A Y T M Ó W M K R O L K T R O N C N Y C H
1 CL ĆWCNA Celem ćwiczenia jest zapoznanie z charakterystykami statycznymi i parametrami 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 21 Charakterystyki statyczne i parametry otodiody krzemowej Fotodioda krzemowa moŝe być wykorzystana jako detektor promieniowania widzialnego i podczerwonego W ćwiczeniu wykonuje się pomiary charakterystyk otodiody, odpowiadających jej pracy w roli otodetektora, tzn przy statycznych ( ) 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 (, ) = e 1, (1) to czułość prądowa otodiody, natomiast 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 Charakterystyki ( ) otodiody, odpowiadające zaleŝności (1), pokazano na Rys 1 Jak widać, parametrem rodziny charakterystyk jest natęŝenie oświetlenia wyraŝone w jednostkach otometrycznych (luxach) 2
W zaleŝności ( ) oświetlonej otodiody moŝna wyróŝnić dwa punkty charakterystyczne: prąd zwarciowy, tzn prąd otodiody przy =, liniowo zaleŝny od natęŝenia oświetlenia i opisany zaleŝnością =, (2) napięcie otoelektryczne, tzn napięcie przy =, zaleŝne logarytmicznie od natęŝenia oświetlenia Czułość prądowa otodiody jest zdeiniowana następująco: = VT ln 1 (3) = (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 tzn prąd ciemny W przypadku rzeczywistej otodiody krzemowej dominującym składnikiem prądu wstecznego jest prąd generacyjny, silnie zaleŝny od temperatury 22 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 ą 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 identyczną, jak dla diody idealnej ze złączem p-n e względu na większe zaleŝnością ( ) 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, min od konstrukcji diody, i jej wartość typowo wynosi co najwyŝej kilka procent Okazuje się więc, Ŝe w celu uzyskania oczekiwanego eektu, tj emisji promieniowania o odpowiedniej mocy (światłości), naleŝy do elementu dostarczyć względnie duŝą moc elektryczną zczególnie niekorzystnie pod tym względem wypada porównanie LD-ów z elementami ciekłokrystalicznymi 3
24 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 tatyczne 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 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 uŝytych u t moŝna do jego konstrukcji Jak widać z Rys 2, na podstawie przebiegu napięcia ( ) zdeiniować czas włączenia t ON oraz czas wyłączenia t OFF transoptora e(t) C C 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 4
3 ADANA 32 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 oświetlenia 2 i 3 14 15 51kΩ A 6 7 19 22 15 V RN max =5mA TM1 2 21 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 19 2 D Rys 4 Fotodioda w ciemni optycznej Tab 1 Tabela skalowania ciemni optycznej [ klx ] 135 1 61 38 17 11 7 5 D[ mm] 1 12 2 3 5 7 9 11 5
3 Badanie diod elektroluminescencyjnych W układzie pomiarowym pokazanym na Rys 5 zmierzyć spadki napięcia na diodach elektroluminescencyjnych D 1 (zielona), D 2 (czerwona), D 3 (pomarańczowa) przy wartości prądu przewodzenia F = 2mA, odpowiadającej wartości parametru charakterystycznego mniejszać wartość prądu przewodzenia aŝ do wartości odpowiadającej subiektywnie określonemu progowi świecenia anotować powyŝsze wartości prądu i napięcia 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 LT547 w układzie pomiarowym pokazanym na Rys 6 powtórzyć pomiary z punktu 3 (dla segmentu a) anotować wyniki pomiarów Ponadto oszacować minimalną moc potrzebną do zadowalającego wyświetlenia cyry 5 3Ω A 3 segment LT 547 V 3 Badanie transoptora Rys 6 kład do badania segmentu wskaźnika cyrowego 5 W układzie pokazanym na Rys 7 pomierzyć charakterystyki wyjściowe ( ) przy 1 = 5, 75,1[ ma] transoptora LTV817 3Ω A 1 A 2 V 2 LTV817 Rys 7 kład do pomiaru charakterystyk transoptora LTV817 6
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 51kΩ G432 LTV817 Rys 8 kład do obserwacji pracy impulsowej transoptora 33 ADANA DO WYKONANA W DOM 1 Wykreślić pomierzone charakterystyki statyczne ( ) otodiody Obliczyć czułość prądową otodiody = 1V na podstawie pomierzonych wartości prądu wstecznego przy napięciu 2 Na podstawie obliczonej wartości czułości prądowej otodiody obliczyć wartość napięcia otoelektrycznego przy = 1klx, do obliczeń przyjąć wartość katalogową prądu ciemnego = 2µ A 3 Wykreślić charakterystyki wyjściowe transoptora ( ) Wyznaczyć współczynnik wzmocnienia prądowego K tego elementu przy napięciu = 4V oraz 1 = 1mA 7