POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki

1

TRANSOPTOR

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem i podstawowymi charakterystykami transoptora jako

przyrządu półprzewodnikowego będącego połączeniem diody elektroluminescencyjnej (LED) i fototranzystora.
Zastosowanie transoptora z wyprowadzoną bazą pozwala na dokładne pomiary obu tych elementów, niezależnie.

A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami

: Zapoznanie się z treścią poniższej instrukcji,

zapoznanie się z teoretycznymi podstawami działania optoelementów, przygotowanie schematów pomiarowych.

B) WPROWADZENIE
1)Fotodiody.

Przez złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym płynie prąd J

u

praktycznie niezależny od wartości przykładanego

w kierunku zaporowym napięcia. Jest to prąd nośników mniejszościowych. Wartość koncentracji nośników mniejszościowych (np. p

n0

=n

i

2

/n

n0

), jest w stanie równowagi wielkością stałą - ustaloną w trakcie domieszkowania. Możemy ją zmieniać poprzez np. wzrost temperatury

lub oświetlenie fragmentu półprzewodnika.
Po oświetleniu półprzewodnika fotonami o energii E=h

ν większej niż szerokość przerwy zabronionej E

g

dojdzie do generacji nośników,

prąd wzrośnie o czynnik I

f

wskutek wygenerowania nośników nadmiarowych przez oświetlenie: I=I

s

+I

f .

Rys.1. a) Rodzina charakterystyk fotodiody w funkcji oświetlenia. b)Typowy przebieg charakterystyki widmowej C

i

-czułość, λ - długość

fali promieniowania..

2)Fototranzystor:

Jest to tranzystor bipolarny, w którym zmianę prądu bazy powoduje zmiana oświetlenia. Odsłonięta dla promie-

niowania baza umożliwia generację par elektron-dziura, ewentualnie w złączu wzrost prądów I

CB0

,I

CE0

.

Fototranzystor to najczęściej element 2-końcówkowy, czasem 3-końcówkowy (z wyprowadzoną bazą co pozwala ustalić dokładnie punkt
pracy).Charakteryzuje się -dużą wartością

β i czułością większa niż zwykła fotodioda ale często jest od niej wolniejszy w działaniu.;

3)Transoptor:

Izolowana elektrycznie para dioda LED-fototranzystor/fotodioda, zamknięte we wspólnej obudowie. Charakterystyka

wejściowa – określona przez diodę LED -a, wyjściowa – np. przez fototranzystor. Właściwości: izolacja galwaniczna wejścia od wyjścia –
wyjścia przy różnych poziomach składowych stałych. Różnica napięć może dochodzić do kV. Rezystancja we/wy gigaomy.

λ

C

i

400

λopt

1000

nm

U

I

Φ

↓

Fotodioda

Fotoogniwo. Punkty w maksi-
mum mocy (P=UI) dostępnej z

FotoSEM:

U

f

=U(I=0)=

ηU

T

ln(1+I

f

/I

0

)

prąd zwarcia I

z

=I(U=0)

U

CE

I

C

Φ

↑

I

F

I

C

Wspołczynnik transmisji
K=I

F

/I

C

przy U

0

=const

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki

FD1 2003/2004 sem. letni

2

B)

POMIARY

1. Przed przystąpieniem do pomiarów należy zapoznać się z wartościami parametrów katalogowych

transoptora CNY17 (lub odpowiednika) z wyprowadzoną bazą fototranzystora.

2. Dokonać pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych:

a) diody LED – podczas pomiaru charakterystyki w kierunku zaporowym zwrócić uwagę na ma-

łą wartość napięcia wstecznego U

rmax

= 3V

b) złącza BE i BC fototranzystora - podczas pomiaru charakterystyki w kierunku zaporowym

pamiętać o małej wartości napięcia wstecznego U

BErmax

=5V.

3. W układzie jak na rys.D1 wyznaczyć:

a) zależność prądu wyjściowego od wejściowego Ic(I

F

)



UCE=par

dla trzech wartości U

CE

, w tym dla

U

CE

=5V.

b) zależność prądu wyjściowego transoptora od napięcia wyjściowego I

C

(U

CE

)



IF =par

dla trzech

wartości prądu I

F

w tym dla I

F

= 0 (wtedy I

C

jest tzw. „prądem ciemnym”) oraz dla I

F

> 0

(wtedy I

C

to tzw. „prąd jasny”).

c) napięcie nasycenia U

CEsat

(dla U

CC

=5V po włączeniu odpowiedniego rezystora R

C

i zwiększa-

niu I

F

do momentu gdy U

CE

będzie praktycznie stałe.

4.

Wyznaczyć charakterystyki złącz BE iBC fototranzystora pracujących jako fotoogniwa:

a) zmierzyć U

CB

(I

F

). -. w tym przypadku jest to zależność napięcia fotoelektrcznego (fotowolta-

icznego) mierzonego na złączu BC fototranzystora od oświetlenia (prądu I

F

), przy odłączo-

nym emiterze tego tranzystora (rys.2),

5. Przy polaryzacji zaporowej złącza wyznaczyć:

a) charakterystykę prądowo napięciową I

C

(U

CB

)



IF =par

charakterystykę I

C

(I

F

)



UCB=par

(dla

trzech wartości U

CB

z zakresu 5...40V), dla I

F

=0..50mA (rys.D4).

b) charakterystykę prądowo napięciową I

E

(U

EB

)



IF =par

dla tych samych trzech wartości I

F

co w

pkt. B5a) (rys.5).

c) charakterystykę I

E

(I

F

)



UBE=par

(dla trzech wartości U

EB

z zakresu 3...5V), dla I

F

=0..50mA

(rysD5)

.

C) W

ARTOŚCI PARAMETRÓW TRANSOPTORA

CNY 17:

I

Fmax

= 60mA

U

rmax

= 3 V

I

OUTmax

= 100mA U

OUTmax

= 70 V P

tot

= 150mW

D) S

CHEMATY UKŁADÓW POMI

AROWYCH

:

ZASILACZ

+

−

mA

V

V

mA

ZASILACZ

+

−

rys. 1

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki

FD1 2003/2004 sem. letni

3

V

rys. 2

ZASILACZ

+

−

mA

V

V

rys. 3

ZASILACZ

+

−

mA

V

V

rys. 4

mA

ZASILACZ

+

−

ZASILACZ

+

−

mA

V

V

rys. 5

mA

ZASILACZ

+

−

ZASILACZ

+

−

mA

V

E) O

PRACOWANIE WYNIKÓW

1. Narysować (wydrukować) wszystkie zmierzone charakterystyki.
2. Wyznaczyć współczynnik złącza, prąd zerowy, rezystancje szeregową: a) diody LED, b) złącza BE

c) złącza BC transoptora.

3. Na podstawie charakterystyki wyjściowej wyznaczyć i narysować zależność konduktancji wyj-

ściowej g

CE

w funkcji napięcia wyjściowego.

4. W oparciu o pomiary zrealizowane w pkt.A4 wyznaczyć rezystancje wewnętrzne moc i sprawność

fotoogniw działających w oparciu o złącze BE i BC we wszystkich przypadkach. Które złącze jest
lepszym fotoogniwem. Odpowiedź uzasadnić.

5. Porównać właściwości fototranzystora i diody LED z transoptora z normalnym tranzystorem krze-

mowym i diodą LED.

6. Dokonać kompleksowej analizy uzyskanych wyników.

Literatura:

1. W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”
2. W. Marciniak „Modele elementów półprzewodnikowych”
3. Pawlaczyk A. ”Elementy i układy optoelektroniczne”
4. „Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog UNITRA – CEMI)
5. Gray P.E.,Searle C.L.- „Podstawy elektroniki
6. Praca zbiorowa - „Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych”.