POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA W KIELCACH

Wy dz i a ł E l e kt r o t e c hni ki , A ut o ma ty ki i I nf o r ma ty ki

K a t e d r a T e l e k o m u n i k a c j i , F o t o n i k i i N a n o m a t e r i a ł ó w

LABORATORIUM Z FIZYKI

Instrukcja do ćwiczenia nr 3

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI

WIDMOWEJ FOTODETEKTORÓW

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI WIDMOWEJ FOTODETEKTORÓW

I. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk widmowych fotodetektorów rożnego typu.

II. Zagadnienia do przygotowania

1. Fotoemisja, fotoprzewodnictwo, absorpcja termiczna
2. Fotodetektory

III. Literatura

1. B.M. Jaworski, A.A. Dietław, Fizyka. Poradnik encyklopedyczny, PWN, Warszawa 1995
2. J. Petykiewicz, Podstawy fizyczne optyki scalonej, PWN, Warszawa 1989
3. J. Cieślak, Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne, WMON 1981
4. J. Pankove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT ,Warszawa 1974
5. K. Booth, S. Hill, Optoelektronika, WKŁ 1998
6. U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1997
7. S. Wirsum, Nowe i najnowsze układy elektroniczne, WK i Ł Warszawa 1986
8. Katalog ELFA nr 46, ELFA AB 1998
9. Katalog Tansfer Multisort Elektronik 2001





UWAGA!!! Przebywanie w Laboratorium Podstaw Fotoniki wymaga szczególnej
ostrożności z uwagi na skolimowane promieniowanie laserowe. NIE NALEŻY patrzeć
bezpośrednio w wiązkę laserową.

Uwagi praktyczne oraz zasady BHP

- Nie wolno patrzeć wprost w wiązkę laserową! Może to spowodować trwałe

uszkodzenie oka.

1.

Wiadomości teoretyczne

Fotodetektorem, według definicji stosowanej w optoelektronice, jest każde urządzenie

mogące wytwarzać lub modyfikować sygnał elektryczny proporcjonalnie do ilości światła
padającego na obszar czynny tego urządzenia. Fotodetektory różnego typu buduje się w
oparciu o trzy podstawowe zjawiska: fotoemisję, fotoprzewodnictwo i absorpcję termiczną.

1.1. Fotoemisja

Zjawisko fizyczne polegające na opuszczeniu materiału przez elektron pod wpływem

energii przekazanej mu przez padający foton. W metalach energia elektronu wybijanego przez
foton jest określona wzorem:

gdzie: W - praca wyjścia (różnica energii odpowiadającej poziomowi Fermiego oraz energii

elektronu w przestrzeni swobodnej), h- stała Plancka, v - częstotliwość fali
elektromagnetycznej

Rys. 1. Zjawisko fotoemisji z metalu

W półprzewodnikach poziom Fermiego znajduje się zwykle w obszarze przerwy
energetycznej, w której nie mogą znajdować się elektrony (czyli nie mogą mieć one energii
równej poziomowi Fermiego). Większość elektronów w półprzewodnikach najpierw musi
pokonać przerwę energetyczną między pasmami walencyjnym i przewodnictwa, a następnie
uwolnić się z dna pasma przewodnictwa. Energia konieczna do tego, aby elektron opuścił
materiał po pokonaniu przerwy energetycznej, określana jest mianem powinowactwa
elektronowego (oznaczana jako χ). Powinowactwo elektronowe to różnica energii między
szczytem i dnem pasma przewodnictwa. Energia potrzebna do uwolnienia elektronu do
przestrzeni swobodnej dla większości elektronów w półprzewodniku wynosi Eg+ χ, (Eg jest
to wielkość przerwy energetycznej). Jeśli atom nie znajduje się wewnątrz materiału, rozkład
stanów energetycznych może ulec zmianie. Prowadzi to do zjawiska zwanego „zagięciem
pasma”. Polega ono na tym, że tworzą się poziomy energetyczne o energii, która w materiale

zwartym znalazłaby się w przerwie energetycznej. Te poziomy zapełniają się dziurami,
dlatego powstają obszary zubożone w dziury, co powoduje spadek potencjału i prowadzi do
zagięcia pasma.

Rys. 2. Zagięcie pasma energetycznego

Elektrony znajdujące się wewnątrz materiału półprzewodnikowego mają znacznie
zredukowaną barierę energetyczną w kierunku powierzchni półprzewodnika, co jest
spowodowane zagięciem pasma i zmniejszeniem się powinowactwa elektronowego.
Efektywne powinowactwo elektronowe jest więc równe:

gdzie: Vs – spadek potencjału na obszarze zubożonym

W oparciu o zjawisko fotoemisji działa fotopowielacz.



1.2. Fotoprzewodnictwo

Fotoprzewodnictwo - mechanizm związany z półprzewodnikami. Aby wyjaśnić to zjawisko
konieczna jest znajomość struktury poziomów energetycznych w ciałach stałych. Najniższe
pasmo energetyczne, które jest zapełnione w temperaturze zera bezwzględnego (0 K)
nazywane jest pasmem walencyjnym. Wyżej znajduje się pasmo przewodnictwa. Elektrony w
paśmie walencyjnym są związane z atomem i nie mogą przemieszczać się w półprzewodniku.
Natomiast elektrony w paśmie przewodnictwa są w tzw. stanie „wolnym” i mogą poruszać się
w materiale półprzewodnikowym, pod wpływem przyłożonego napięcia. Między pasmami
walencyjnym i przewodnictwa istnieje przerwa energetyczna, lecz różnica energii jest na tyle
mała, że fotony o odpowiednio dużej energii powodują przejście elektronów z pasma
walencyjnego do przewodnictwa. Następuje więc wzrost przewodnictwa materiału
proporcjonalny do liczby padających na niego fotonów. Właśnie w oparciu o tą właściwość

półprzewodników produkuje się fotodetektory rożnego rodzaju, między innymi:
fotorezystory, fotodiody.

1.3. Absorpcja termiczna

Zachodzi w przypadku, gdy fotony o długościach fali leżących w dalekiej podczerwieni

pochłaniane w materii wzbudzają stany oscylacyjne i rotacyjne w cząsteczkach lub siatce
krystalicznej, w których zostały pochłonięte. Zgodnie z prawem zachowania energii absorpcja
fotonu w materiale wywołuje wzrost temperatury (w efekcie może to spowodować zmiany
właściwości fizycznych materiału). Poprzez analizę tych zmian można stwierdzić, ile światła
padło na detektor. Za absorpcję promieniowania w półprzewodniku są odpowiedzialne dwa
mechanizmy. Jeden z nich związany jest z absorpcją fotonów na swobodnych nośnikach
ładunku, natomiast drugi z absorpcją międzypasmową w półprzewodniku (tzw. absorpcja
podstawowa).

Pasmo absorpcji związane z przejściem międzypasmowym jest ograniczone od strony

długofalowej przez tzw. główną krawędź absorpcji. Energia fotonów, odpowiadająca głównej
krawędzi absorpcji, wystarcza do przeniesienia elektronu z wierzchołka pasma walencyjnego
do dna pasma przewodnictwa, tzn. hv = Eg, (Eg -szerokość przerwy wzbronionej). Jeżeli
temperatura półprzewodnika lub izolatora jest wyższa, to zwykle absorpcja międzypasmowa
zachodzi z udziałem fononu, który dostarcza lub zabiera pewną wartość energii (przy
spełnieniu zasady zachowania energii). Możliwa jest również absorpcja do stanów leżących
poniżej przerwy energetycznej w półprzewodniku lub izolatorze. Stany wzbudzone, leżące
poniżej przerwy energetycznej, nie prowadzą do bezpośredniej generacji ładunku.

Działanie termopary, bolometru oraz detektorów piroelektrycznych jest oparte na

absorpcji termicznej.

2. Pomiary światła

W pomiarach światła w zależności od przyjętych założenie, stosuje się rożne jednostki

dla określenia tych samych wielkości. Ustalono jednostki fotometrii wizualnej
(uwzględniające odpowiedzi ludzkiego oka na światło, czyli zależne od długości fali) oraz
jednostki fotometrii energetycznej (które są miarą bezwzględnej jaskrawości i wyrażają ilość
energii emitowanej przez źródło w jednostce czasu, niezależnie od długości fali). Podstawowe
wielkości określane przy pomiarach światła to:

a) Strumień świetlny jest to ilość światła przechodzącego przez określoną powierzchnię

w danym czasie. Wartość ta może być opisywana w kategoriach ilości energii, w postaci
fotonów przechodzących przez określoną powierzchnię w danym czasie. W fotometrii
fizycznej energetyczny strumień świetlny (moc światła jest wyrażany w watach (dżul/s).
Zaś w fotometrii wizualnej jednostką strumienia świetlnego jest lumen (lm). Lumen jest to

strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1 steradiana przez punktowe źródło światła

o światłości 1 kandeli: 1 lm= 1 cd・sr.

b) Natężenie oświetlenia - ilość światła odbieranego przez obszar o określonej powierzchni

(jest to ilość światła padającego na powierzchnię a nie odbijanego bądź emitowanego przez
określony obszar). W kategoriach fotometrii wizualnej natężenie oświetlenia jest wyrażane
w luksach (lx). 1 luks to natężenie oświetlenia wytworzone przez strumień 1 lm na

powierzchni 1 m

2

, 1 lx = 1 lm・m

-2

. W fotometrii fizycznej jednostką energetycznego

natężenia oświetlenia jest W・m

-2

.

c) Natężenie źródła światła (światłość) - strumień świetlny emitowany w określonym kącie

bryłowym. Charakterystyczne jest to że natężenie będzie jednakowe niezależnie od
odległości od źródła. Natężenie źródła światła jest mierzone w kandelach (1 cd = lumen
/steradian). Kandela (cd) jest definiowana jako natężenie źródła światła, jakie daje
w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie

monochromatyczne

o częstotliwości 5,4 * 1014 Hz i o światłości energetycznej w tym kierunku równej 1/683
[W/sr]. W fotometrii fizycznej natężenie źródła światła (światłość energetyczna) jest
wyrażana w watach na steradian.

d) Luminancja

(jaskrawość)-wielkość

określająca

emisję

strumienia

świetlnego

z jednostkowej powierzchni. W fotometrii wizualnej, a jednostką luminancji jest cd・m

-2

.

W fotometrii fizycznej występuje luminancja energetyczna, którą wyraża się

w W・sr

-1

・m

-2

.

3. Ogólna Charakterystyka wybranych fotodetektorów

a) Fotorezystor

Jest to element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania

świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczułą) fotorezystora
stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z
elektrodami metalowymi doprowadzającymi prąd ze źródła zewnętrznego. Całość umieszcza
się w obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego.
Strumień światła o odpowiedniej długości fali wywołuje generację par elektron dziura, ta
dodatkowa liczba elektronów i dziur zwiększa konduktywność półprzewodnika, co w
rezultacie powoduje zmniejszenie rezystancji fotorezystora.

Najczęściej fotorezystory produkowane są z takich materiałów jak: siarczek ołowiowy

(PbS), tellurek ołowiowy (PbTe), samoistny albo odpowiednio aktywowany german (Ge),
antymonek indu (InSb), oraz siarczek kadmu (CdS).

Charakterystykę rezystancyjno - oświetleniową przedstawia zależność rezystancji R

E

fotorezystora od natężenia oświetlenia E może być opisana w przybliżeniu wzorem
empirycznym:

gdzie: Ro - rezystancja fotorezystora przy natężeniu Eo (zwykle 10 lx), g –stały

współczynnik

(jego

wielkość

zależy

głownie

od

rodzaju

materiału

półprzewodnikowego np. dla CdS g =0.5-1)

b) Fotodioda

Fotodiody - półprzewodnikowe elementy fotoelektryczne z warstwą zaporową, są to

najogólniej

biorąc,

złącza

p-n,

w

których

zakłócenia

koncentracji

nośników

mniejszościowych dokonuje się za pomocą energii fotonów docierających do złącza przez
odpowiednie okienko wykonane w obudowie fotodiody. Złącza p-n fotodiod są wykonywane
z rożnych materiałów półprzewodnikowych, najczęściej stosuje się german (Ge), krzem (Si),
arsenek galu (GaAs) i tellurek kadmu (CdTe). W obszarze warstwy zaporowej złącza p-n
zachodzą wskutek oświetlenia dwa zjawiska: powstaje siła elektromotoryczna (zjawisko
fotowoltaiczne) oraz rośnie proporcjonalnie do padającego strumienia fotonów prąd płynący
przez złącze p-n w przypadku gdy złącze spolaryzowane jest w kierunku zaporowym
(fotodioda).

Fotodioda pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. W stanie ciemnym

(przy braku oświetlenia) przez fotodiodę płynie tylko prąd ciemny, będący prądem
wstecznym złącza określonym przez termiczną generację nośników. Oświetlenie złącza
powoduje generację dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego złącza,
proporcjonalny do natężenia padającego promieniowania. Parametry niektórych fotodiod
zestawiono w tabeli poniżej (FG2 fotodioda germanowa, pozostałe krzemowe).

Tabela 1. Parametry przykładowych fotodiod

c) Fotoogniwo

Jest to element o stosunkowo dużej powierzchni oświetlonej. Złącze p-n znajduje się w

bezpośrednim sąsiedztwie (na głębokości rzędu 1μm) oświetlanej powierzchni. Padające na
złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika
powodują powstanie par elektron dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika
związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki rożnych rodzajów w rożne strony.
Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w
złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ
rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie
na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne. Polaryzacja
zaporowa złącza odpowiada pracy fotodiody, polaryzacja w kierunku przewodzenia – pracy
fotoogniwa.

Rys. 3. Charakterystyki prądowo napięciowe oświetlonego złącza p-n

d) Fototranzystor

Fototranzystory - to tranzystory bipolarne (najczęściej typu n-p-n), w których obudowie

wykonano okno umożliwiające oświetlenie obszaru bazy tranzystora. Fototranzystor
polaryzujemy tak jak zwykły tranzystor tj. złącze baza emiter jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, a złącze baza kolektor w kierunku zaporowym. Powszechnie fototranzystory
wykonywane są jako elementy o dwóch wyprowadzeniach tj. wyprowadzone są kontakty
emitera i kolektora, baza zazwyczaj pozostaje nie wyprowadzona na zewnątrz. Przy braku
oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy, związany z termiczną generacją
nośników, jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza p-n na granicy obszarów bazy i
kolektora.

Oświetlenie obszaru bazy promieniowaniem o odpowiedniej długości fali powoduje w

wyniku fotoefektu wewnętrznego pojawienie się w bazie fototranzystora dodatnich i
ujemnych nośników prądu: dziur i elektronów. Zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor

powoduje rozdzielenie nośników (analogicznie jak ma to miejsce w zaporowo
spolaryzowanej fotodiodzie). Nośniki mniejszościowe pod wpływem pola elektrycznego na
granicy baza kolektor zostają „przerzucone” do kolektora. Nośniki większościowe gromadzą
się w bazie, co powoduje obniżenie bariery potencjału na złączu baza emiter, a to z kolei
umożliwia przejście nośników większościowych z obszaru emitera do obszaru bazy. Nośniki
te w obszarze bazy stają się nośnikami mniejszościowymi, zaporowa polaryzacja złącza baza
kolektor powoduje ich przejście do obszaru kolektora i zwiększenie prądu kolektora.
Charakterystyki wyjściowe I

C

= f(U

CE

) są analogiczne jak dla zwykłych tranzystorów

bipolarnych, parametrem jednak nie jest prąd bazy, ale natężenie oświetlenia obszaru bazy.

Rys. 4. Rodzina charakterystyk wyjściowych fototranzystora dla rożnych wartości oświetlenia

(E1< E2< E3< E4)

e) Transoptor

Transoptor -stanowi izolowaną elektrycznie parę: źródło promieniowania – fotodetektor,

sprzężoną optycznie i umieszczoną we wspólnej obudowie. W transoptorach jako źródło
promieniowania stosuje się diody elektroluminescencyjne, natomiast jako fotodetektory wykorzystuje
się krzemowe fotodiody, fototranzystory, fototyrystory, fotodarlingtony oraz specjalne struktury, takie
jak: foto-FET, fotodiak, fototriak. Transoptor przenosi sygnały zarówno stałoprądowe, jak
i zmiennoprądowe (analogowe i cyfrowe), przy czym pasmo przenoszenia zależy przede wszystkim od
rodzaju użytych elementów. Transoptory stosuje się w aparaturze pomiarowej i medycznej, w
układach automatyki przemysłowej, głownie w celu eliminacji zakłóceń wprowadzanych przez układy
współpracujące ze sobą, bądź do sprzęgania układów o rożnych potencjałach, a także w charakterze
wyłączników optoelektronicznych.

Transoptor może być zamknięty, monolityczny (scalony) i wtedy promieniowanie wysyłane

przez źródło światła przenika przez warstwę materiału elektroizolacyjnego (np. szkło, żywica
epoksydowa). W transoptorze otwartym, szczelinowym (tzw. transmisyjnym) oraz odbiciowym
(refleksyjnym) – światło transmitowane jest przez warstwę powietrza, w której znajduje się ruchomy

element przerywający lub ustanawiający sprzężenie optyczne między źródłem promieniowania i
fotodetektorem. Transoptory mogą przenosić sygnały stałoprądowe i zmiennoprądowe. Pasmo
przenoszenia transoptora zależy od rodzaju wykorzystanego źródła promieniowania oraz
fotodetektora. Ponieważ źródło promieniowania i fotodetektor są elektrycznie izolowane, co
przedstawiono na rys.5, więc dopuszczalna różnica potencjałów pomiędzy wejściem a wyjściem,
zależnie od wykonania, wynosi od kilkuset woltów do kilkudziesięciu kilowoltów.

Rys. 5. Uproszczony schemat budowy transoptora z jego najważniejszymi parametrami

gdzie:

A – źródło promieniowania, B – fotodetektor, R

ISO

– rezystancja izolacji >> MΩ, U

I/O

– napięcie

przebicia >> kV

Transoptory

można

scharakteryzować

zespołem

parametrów

wejściowych,

wyjściowych, transmisyjnych oraz statycznych i dynamicznych. Do parametrów wejściowych
transoptora należy zaliczyć moc strat, typowe napięcie przewodzenia, maksymalne napięcie
wsteczne, maksymalną wartość prądu przewodzenia oraz szczytową wartość impulsu
prądowego dla danej długości impulsu i częstotliwości powtarzania, a także parametry
dynamiczne –charakterystyka amplitudowa, charakterystyka fazowa, czas narastania oraz
czas opadania impulsu.

Przykładowa charakterystyka wejściowa U

F

= f(I

F

) transoptora przedstawiona została na

rys. 6. Przebieg tej charakterystyki zależy od temperatury otoczenia.

Rys. 6. Charakterystyka wejściowa transoptora z fototranzystorem

4. Opis i zasada działania stanowiska pomiarowego

Głównym z założeń projektu stanowiska laboratoryjnego było, to aby na stanowisku

można było przeprowadzić szeroki wachlarz pomiarów, przy dość prostej i szybkiej obsłudze.
Osoba obsługująca stanowisko nie musi składać układu pomiarowego od podstaw, jej
zadaniem jest tylko jednorazowe podłączenie przyrządów pomiarowych, wybranie danego
fotodetektora i wybranie rodzaju charakterystyki.

Rys. 7. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego do badania charakterystyk fotodetektorów

Stanowisko pomiarowe składa się z układu sterującego wraz ze źródłem światła oraz z

zestawu fotoelementów, które będą podlegać badaniu. Stanowisko pomiarowe można ze
względu na obsługę podzielić na trzy bloki:

- Blok do wyznaczania charakterystyki dynamicznej.
- Blok do wyznaczania charakterystyki statycznej
- Blok do wyznaczania charakterystyki widmowej

Do

wyboru

rodzaju

charakterystyki,

która

będzie

badana

służy

przełącznik

„Charakterystyka”. Aktualny rodzaj charakterystyki sygnalizują diody powyżej przełącznika
(rys. 9.).

Rys. 8. Panel sterowania – widok ścianki przedniej

Rys. 9. Blok wyboru rodzaju charakterystyki

Blok do wyznaczania charakterystyki statycznej

Rys. 10. Blok wyznaczania charakterystyk statycznych fotodetektorów

gdzie:

7 –potencjometr regulujący napięcie zasilania źródła światła

8 – potencjometr regulujący napięcie zasilania fotodetektora

Wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na obserwowaniu zależności prądowo

napięciowych w funkcji intensywności świecenia źródła. Z1 reguluje intensywność świecenia,
a Z2 napięcie zasilania fotodetektora. Wartości napięć wskazują mierniki. Aby dokonać
pomiaru prądu zastosowano przetwornik prąd napięcie. Takie rozwiązanie wyklucza
włączanie jakichkolwiek mierników szeregowo w obwód fotodetektora.

Blok do wyznaczania charakterystyki dynamicznej

Rys. 11. Blok wyznaczania charakterystyk dynamicznych fotodetektorów

gdzie:

1 - przełącznik ustawiający dwa zakresy częstotliwości generatora;

2 - potencjometr do regulacji amplitudy sygnału z generatora;

3 - potencjometr regulujący szerokość impulsu;

4 - potencjometr regulujący szerokość przerwy pomiędzy impulsami;

5 - przełącznik wyboru rodzaju przebiegu;

6 - diody sygnalizujące rodzaj wybranego przebiegu

Ta część stanowiska pozwala na wyznaczanie zależności częstotliwościowych

fotodetektora. Pomiar polega na ustawieniu określonego napięcia zasilania fotodetektora
potencjometrem Z2, a następnie potencjometrami 3 i 4 należy regulować częstotliwość
pulsowania źródła światła. Rożne wartości 3 i 4 ustalają stosunek wypełnienia. Dzięki temu
rozwiązaniu można badać odpowiedź fotodetektora na wymuszenie.

Stanowisko laboratoryjne wyposażono w generator, który pozwala na wybór rodzaju

przebiegu (prostokątny, trójkątny i sinusoidalny). Częstotliwość może być regulowana w
dwóch przedziałach 20..200Hz i 200..2000Hz. do wyboru zakresu służy przełącznik 1. Do
pomiarów można użyć także generatora zewnętrznego, w tym celu należy go podłączyć w
odpowiednie gniazdo na tylnej ściance i zmniejszyć amplitudę generatora wewnętrznego do
zera.

Blok do wyznaczania charakterystyki widmowej

Rys. 12. Blok wyznaczania charakterystyk widmowych fotodetektorów

gdzie:

9 - potencjometr regulujący potencjał na części diody RGB odpowiadającej za kolor czerwony;

10 - potencjometr regulujący potencjał na części diody RGB odpowiadającej za kolor zielony;

11 - potencjometr regulujący potencjał na części diody RGB odpowiadającej za kolor niebieski;

12 - dioda RGB sygnalizująca aktualną barwę;

13 - pasek z widmem barw

Źródłem światła zastosowanym na stanowisku pomiarowym jest dioda świecącą RGB

złożoną z trzech układów diodowych: czerwonej, zielonej i niebieskiej. Dzięki takiemu
rozwiązaniu możliwe jest uzyskanie całego pasma światła widzialnego, łącznie z białym które
jest wykorzystane do wyznaczania charakterystyk statycznych i dynamicznych. Rozwiązanie
to eliminuje konieczność stosowania skomplikowanych urządzeń z układami pryzmatowymi
do wyznaczania charakterystyki spektralnej.

Wyznaczanie charakterystyki widmowej polega na pokazaniu zależności fotodetektora

od barwy źrodła światła. Barwę tą ustala się poprzez odpowiedni stosunek napięć podanych
na diodę RGB. W celu uzyskania pełnego widma należy ustalić stosunki napięć jak na rys 13.
Skala światłości jest wprost proporcjonalna do napięcia zasilania diody RGB.

Rys. 13. Rozkład spektralny emisji trzech przykładowych punktowych źrodeł światła w systemie RGB

Widok z tyłu

Rys. 14. Widok ścianki tylnej

gdzie:

14 – wyjście na oscyloskop 1 mierzący sygnał na źrodle światła;

15 –wyjście na oscyloskop 2 mierzący sygnał na fotodetektorze;

16 –wejście generatora zewnętrznego;

17 –zacisk „-” woltomierza V2;

18 –zacisk „+” woltomierza V2;

19 –zacisk „+” woltomierza V1;

20 –zacisk „+” woltomierza Vz2;

21 –zacisk „+” woltomierza VR;

22 –zacisk „+” woltomierza VG;

23 –zacisk „+” woltomierza VB;

24 – zaciski „-”;

25 –gniazdo WE/WY z modułu z fotodetektorem

Widok ścianki bocznej lewej

Rys. 15. Widok ścianki bocznej – lewej

gdzie: 26 –gniazdo bezpiecznika sieciowego;

27 –wtyczka przewodu napięcia sieciowego 230 V;

28 –włącznik napięcia sieciowego 230 V

Widok ścianki bocznej prawej

Rys. 16. Widok ścianki bocznej – prawej

gdzie: 29 –dioda RGB;

30 –oprawa z soczewką

Wygląd zewnętrzny modułów z fotodetektorami

5. Przebieg ćwiczenia - Wyznaczanie charakterystyk widmowych fotodetektorów

Podstawowym celem ćwiczenia jest porównanie kilku rodzajów detektorów światła.

Jednym z najistotniejszych parametrów fotodetektorów jest ich czułość i jej zależność od
długości fali promieniowania. Pomiary charakterystyk spektralnych kilku fotodetektorów
stanowią więc znaczną część ćwiczenia.

Wszystkie badane fotodetektory są w istocie przetwornikami sygnałów świetlnych na

sygnały elektryczne i wymagają odpowiednich elektronicznych obwodów pracy. W każdym
wypadku mierzony jest sygnał prądowy lub napięciowy. Zakresy wielkości tych sygnałów
różnią się od siebie ze względu na rożne zasady działania detektorów. Aby porównać
charakterystyki widmowe rożnych rodzajów czujnikowa należy posłużyć się wielkością o
charakterze uniwersalnym – na przykład tzw. czułością względną – zależnością wartości
natężenia fotoprądu lub napięcia fotoelektrycznego od długości fali światła znormalizowanej
do jej wartości maksymalnej.

Pomiarów czułości spektralnej dokonuje się kierując na dany fotodetektor wiązkę

światła o zakresie długości fali znacznie ograniczonym przy pomocy diody RGB, rejestrując
sygnał fotoelektryczny dla serii wartości centralnej długości fali pokrywającej pełny
widmowy zakres emisji używanego źródła światła (dioda RGB). Etapem wstępnym powinno
być wyskalowanie źródła światła w jednostkach długości fali, czyli wyznaczenie tzw. krzywej
dyspersji przy pomocy źródła światła o znanym widmie (poszczególne koloru RGB), a
końcowym uwzględnienie własności spektralnych światła emitowanego przez diodę.

W celu wyznaczenia charakterystyki widmowej fotodetektorów należy postępować

następująco:

- zbadać światłości poszczególnych barw posługując się spektrometrem,
- skalibrować źródło światła tak aby intensywność świecenia poszczególnych

barw była jednakowa,

- przyjąć skalę od 0 do 10 i wyznaczyć na niej wartości napięć od 0 do U

Wmax

proporcjonalne do skali światłości,

- wyniki zanotować w tabeli 2 czynność tą powtórzyć dla każdej z podstawowych barw
RGB,

Tabela 2. Skala światłości

Wartości z tabeli 2 odnieść do skali światłości na wykresie charakterystyki widmowej

diody RGB (rys. 13).

Zmieniając wartości napięć w odniesieniu do wykresu na poszczególnych kolorach

diody wyznaczyć charakterystykę czułości fotoogniwa w funkcji długości fali. Pomiary
powtórzyć dla pozostałych fotodetektorów dane zamieścić w tabeli 3. Jeżeli w laboratorium
nie ma dostępu do spektrometru można pominąć pomiar źródła światła i odwołać się do
wartości zamieszczonych w tabeli 3 a (w przypadku dokonywania pomiarów na stanowisku
laboratoryjnym numer 1) lub tabeli 3 b (dla stanowiska numer 2).

Tabela 3 a. Charakterystyka diody RGB dla stanowiska pomiarowego nr 1

Tabela 3 b. Charakterystyka diody RGB dla stanowiska pomiarowego nr 2

6. Opracowanie wyników

Sporządzić charakterystykę U

W

/U

Wmax

= f(λ) dla każdego z fotodetektorów, nanieść je

na jeden wykres i omówić różnicę pomiędzy nimi.