Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

Zespół Laboratoriów Przyrządów Półprzewodnikowych

Pomoce dydaktyczne oraz Instrukcja wykonawcza

do ćwiczenia pod tytułem:

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach”

(F)

Opracowanie: mgr inż. Józef Maciak

dr inż. Agnieszka Zaręba

Cel ćwiczenia

Celem pierwszej części ćwiczenia jest zapoznanie studentów z wpływem oświetlenia na

podstawowe właściwości wybranych przyrządów półprzewodnikowych. Nosi ona tytuł: „Zjawisko

fotoelektryczne wewnętrzne”. Część druga ćwiczenia poświęcona jest natomiast podstawowym

właściwościom przykładowego półprzewodnikowego źródła światła i nosi tytuł: „Rekombinacja

promienista”.

I. Część teoretyczna

1. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne

Zjawisko to polega na generacji par elektron-dziura przez padający na półprzewodnik foton

o energii h

υ

większej bądź równej szerokości przerwy zabronionej E

g

tego półprzewodnika :

h

υ

> E

g

(1)

gdzie: h – stała Plancka 6,626x10

-34

[Js],

υ

– częstotliwość promieniowania [Hz],

E

g

– szerokość przerwy zabronionej [eV].

Po uwzględnieniu związku pomiędzy częstotliwością a długością fali promieniowania

elektromagnetycznego

λ :

λ

= c/

υ

(2)

gdzie: c – prędkość światła w próżni 2,998x 10

8

[m/s]

wzór (1) przyjmuje postać:

λ <

hc /E

g

(3)

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

2

Zajście

zjawiska

fotoelektrycznego

wewnętrznego

oznacza,

ż

e

promieniowanie

elektromagnetyczne o odpowiednio dużej energii jest pochłaniane przez dany półprzewodnik

powodując zwiększenie koncentracji swobodnych nośników ładunku w półprzewodniku (dla

promieniowania o energii mniejszej od szerokości przerwy zabronionej półprzewodnik jest

przeźroczysty).

Maksymalna

długość

fali,

przy

której

zachodzi

absorpcja

promieniowania

elektromagnetycznego nosi nazwę długofalowego progu absorpcji lub krawędzi absorpcji.

Przykładową krzywą absorpcji przedstawia rys.1.

długość fali

λ

czułość

Rys.1. Przykładowy przebieg krzywej absorpcji

Konduktywność

półprzewodnika

nie

poddanego

działaniu

promieniowania

elektromagnetycznego

σ

0

określa się wzorem:

σ

0

= q ( n

0

µ

n

+ p

0

µ

p

)

(4)

Gdzie: n

0

– koncentracja równowagowa elektronów,

p

0

– koncentracja równowagowa dziur,

µ

n

– ruchliwość elektronów,

µ

p

– ruchliwość dziur.

Przyrost koncentracji elektronów

∆

n i dziur

∆

p (przyrost koncentracji swobodnych

nośników

ładunku

elektrycznego)

spowodowany

działaniem

promieniowania

elektromagnetycznego (oświetlenia) jest przyczyną wzrostu konduktywności półprzewodnika o

∆σ :

∆σ =

q (

∆

n

µ

n

+

∆

p

µ

p

)

(5)

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

3

Półprzewodnikowe przyrządy fotoelektryczne oparte na wewnętrznym zjawisku

fotoelektrycznym (przetwarzające sygnał promieniowania elektromagnetycznego na sygnał

elektryczny) można podzielić na 2 grupy:

– przyrządy wykonane z jednorodnego półprzewodnika

– przyrządy z warstwą zaporową

2.1. Przyrządy wykonane z jednorodnego półprzewodnika – fotorezystory

Pod wpływem oświetlenia powodującego generację par elektron-dziura konduktancja

półprzewodnika rośnie o

∆σ

zgodnie ze wzorem (5). Pojawiające się pary elektron-dziura są

„rozrywane” przez pole elektryczne powstałe w wyniku przyłożonego do fotorezystora różnego od

zera napięcia U, które powoduje przepływ prądu.

Elektryczna charakterystyka prądowo-napięciowa I(U) w układzie współrzędnych

prostokątnych jest dla danej wartości natężenia oświetlenia (strumienia świetlego

Φ ,

mocy

promieniowania elektromagnetycznego P

e

) linią prostą. Przy zwiększaniu wartości natężenia

oświetlenia zwiększa się kąt nachylenia tej prostej. Dla danej prostej obowiązuje prawo Ohma

( I = U/R, gdzie: I – natężenie prądu płynącego przez fotorezystor, U – spadek napięcia na

fotorezystorze, R – rezystancja fotorezystora). Na rys. 2. przedstawiono przykładowe

charakterystyki fotorezystora dla różnych oświetleń.

φ

1

φ

2

U

I

0

φ

1

>

φ

2

Rys. 2. Przykładowe charakterystyki I(U) fotorezystora dla różnych oświetleń

Typowymi materiałami używanymi do wytwarzania fotorezystorów są:

– siarczek ołowiowy PbS,

– selenek ołowiowy PbSe,

– tellurek ołowiowy PbTe,

– german Ge,

– antymonek indu InSb,

– siarczek kadmowy CdS.

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

4

Z wymienionych powyżej materiałów tylko siarczek kadmowy, odznaczający się względnie

dużą czułością w widzialnym zakresie widma fal elektromagnetycznych, jest stosowany w

detektorach promieniowania widzialnego (pozostałe stosuje się zwykle w zakresie podczerwieni).

Fotorezystory są zazwyczaj wykonywane w postaci cienkich warstw osadzonych na odpowiednim

podłożu.

2.2. Przyrządy z warstwą zaporową (złączowe) – fotodiody, fototranzystory

W przyrządach z warstwą zaporową wygenerowane na skutek wewnętrznego zjawiska

fotoelektrycznego pary elektron-dziura są „rozrywane” przez pole elektryczne warstwy

zaporowej. Elektrony są unoszone w przeciwnym kierunku niż dziury (rys. 3.).

+ +

+

+

+

+

+

h

υ

typ „p”

typ „n”

Rys. 3. Generacja pary elektron-dziura w obszarze warstwy zaporowej fotodiody wywołana przez

padający foton.

Warstwa zaporowa powstaje na styku dwu połączonych ze sobą obszarów półprzewodnika

różniących się typem domieszek. Jeden z nich jest domieszkowany donorami (półprzewodnik typu

n), czyli atomami posiadającymi o jeden elektron walencyjny więcej niż atomy pierwiastka

tworzącego podłoże. Drugi obszar jest domieszkowana akceptorami (półprzewodnik typu p), czyli

atomami posiadającymi o jeden elektron walencyjny mniej niż atomy pierwiastka tworzącego

podłoże. Cechą charakterystyczną warstwy zaporowej jest to, że istnieje w niej pole elektryczne.

Sprawia ono, że wszystkie swobodne nośniki, które znajdą się w jej obrębie są szybko z niej

usuwane. Dziury usuwane są w kierunku zgodnym z kierunkiem pola elektrycznego, podczas gdy

elektrony w kierunku przeciwnym. A zatem w obszarze warstwy zaporowej następuje rozdzielanie

swobodnych nośników.

Jeśli złącze nie jest spolaryzowane, po przeciwnych stronach warstwy zaporowej

gromadzą się elektrony i dziury prowadzące do powstania siły elektromotorycznej (SEM). W

miarę trwania oświetlenia złącza po obu jego stronach gromadzi się coraz więcej nośników

powodując obniżanie złączowej bariery potencjału (pojęcie złączowej bariery potencjału jest

przedmiotem wykładu w dalszej części semestru). Umożliwia to przejście nośników przez obniżoną

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

5

I

φ

1

= 0

U

F

U

R

0

I

Z1

φ

2

>

φ

1

U

F

U

R

0

φ

2

φ

1

φ

1

φ

2

φ

2

>

φ

1

U

F

U

R

I

0

I

E

T1

a)

b)

c)

barierę potencjału w kierunku przeciwnym niż miało to miejsce na skutek unoszenia w polu

elektrycznym warstwy zaporowej. Po przejściu elektronów do obszaru typu p i dziur do obszaru

typu n następuje tam rekombinacja tych nośników z nośnikami większościowymi. Ustala się stan

równowagi między generacją nośników na skutek działania promieniowania elektromagnetycznego

a rekombinacją nośników, które przedostały się przez obniżoną barierę potencjału. Przez cały czas

trwania oświetlenia na złączu występuje siła elektromotoryczna.

Jeżeli złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym następuje (w wyniku oświetlenia)

zwiększenie wartości prądu płynącego w kierunku zaporowym (zwiększenie kondunktancji złącza

w kierunku zaporowym).

Rys. 4. Charakterystyki prądowo-napięciowe I(U) fotodiody:

a) charakterystyki nieoświetlonego złącza,
b) charakterystyki pochodzące wyłącznie od oświetlenia,
c) charakterystyki wypadkowe.

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

6

Charakterystyka elektryczna prądowo-napięciowa I(U) fotodiody w układzie

współrzędnych prostokątnych przy braku oświetlenia złącza p-n (w warunkach zaciemnienia)

została przedstawiona na rys.4a. Jest to charakterystyka typowa dla diody ze złączem p-n.

Na rys 4b. przedstawiono składowe prądu fotodiody pochodzące wyłącznie od oświetlenia

dla różnych oświetleń (

Φ

1

,Φ

2

). Ν

a rys.4c. zamieszczona charakterystykę wypadkową (każdorazowo

– dla danego typu oświetlenia – jest to suma charakterystyki z rys. 4a. i odpowiedniej

charakterystyki z rys. 4b. Niekiedy charakterystykę z rys. 4a. nazywa się charakterystyką prądu

„własnego”, a charakterystykę z rys. 4b. – charakterystyką prądu „obcego”.

Fototranzystor jest to element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n (emiter-baza i

kolektor-baza). Działa on jak konwencjonalny tranzystor, z tą różnicą, że jego prąd kolektora zależy

od natężenia padającego nań światła.

Aktualnie do budowy fotodiod i fototranzystorów wykorzystuje się przede wszystkim krzem

(Si).

2.3. Wybrane parametry charakteryzujące przyrządy fotoelektryczne.

Do parametrów charakteryzujących przyrządy fotoelektryczne należą:

– czułość napięciowa S

U

– czułość prądowa S

I

Definiuje się je następującymi zależnościami:

S

U

= dU

p

/ dP

e

[V/W]

(6)

S

I

= dI

p

/ dP

e

[A/W]

(7)

gdzie: U

p

– napięcie fotoelektryczne [V],

I

p

– prąd fotoelektryczny [A],

P

e

– moc promieniowania elektromagnetycznego [W].

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

7

3. Rekombinacja promienista

Rekombinacja promienista polega na przejściu elektronu z pasma przewodnictwa do pasma

walencyjnego z jednoczesnym oddaniem przez elektron części swojej energii w postaci fotonu. W

wyniku rekombinacji promienistej następuje generacja promieniowania elektromagnetycznego.

Dla zajścia rekombinacji promienistej istotna jest budowa energetyczna danego

półprzewodnika. Wyróżniamy półprzewodniki o prostej i skośnej przerwie energetycznej (patrz

DODATEK 1).

Przyrząd wykorzystujący taką rekombinację nazywa się diodą elektroluminescencyjną, w

skrócie DEL; w pisowni anglosaskiej LED – Light Emitting Diode.

Gdy dioda LED spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia, do obszaru typu p wstrzykiwane są

elektrony, a do obszaru typu n dziury (rys.5.). Następuje rekombinacja nośników wstrzykniętych z

nośnikami większościowymi. Rekombinacja elektronów z dziurami zachodzi także w obszarze

warstwy zaporowej. Jeżeli wśród przejść rekombinacyjnych mają miejsce przejścia rekombinacji

promienistej dioda emituje promieniowanie elektromagnetyczne.

h

υ

typ „p”

typ „n”

+ + + +

+

+

+

+

strumień dziur

strumień elektronów

h

υ

h

υ

Rys. 5. Energetyczny model pasmowy diody elektroluminescencyjnej.

Długość fali emitowanego promieniowania zależy od szerokości przerwy zabronionej

półprzewodnika, z jakiego wykonana jest dioda:

λ

=hc/ E

g

(8)

Głównym parametrem charakteryzującym diody elektroluminescencyjne jest sprawność

ś

wietlna zdefiniowana jako:

ε

D

=

Φ

V

/ P [lm/W]

(9)

gdzie:

Φ

V

– strumień świetlny emitowany przez diodę [lm],

P – moc elektryczna dostarczona do diody [W].

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

8

Przykładowe materiały, z których są wykonywane diody elektroluminescencyjne to:

•

materiały o prostej przerwie energetycznej: GaAsP, AlGaAs – czerwona barwa światła,

GaN – niebieska barwa światła;

•

materiały o skośnej przerwie energetycznej: GaAsP:N – czerwona i żółta barwa światła,

GaP – zielona barwa światła.

II. Zastosowanie przyrządów optoelektronicznych

1. Przyrządy fotoelektryczne:

•

fotodetektory: fotorezystory, fotodiody, fototranzystory

Zaletą tych przyrządów są niewielkie rozmiary i masa, duża niezawodność oraz łatwość

scalania z innymi przyrządami półprzewodnikowymi. Stosowane są w różnego rodzaju

detektorach promieniowania widzialnego i podczerwonego; urządzeniach sygnalizacyjnych,

alarmowych (np. przeciwpożarowych), sterujących; do pomiaru temperatury, w diagnostyce

medycznej; w badaniach zasobów Ziemi z satelitów; w układach włączania oświetlenia i

utrzymywania stałego poziomu światła; w sprzęcie powszechnego użytku jako odbiorniki

promieniowania emitowanego przez pilot; w elektrodach sygnałowych wizyjnych

przetworników analizujących; w łączach światłowodowych jako odbiorniki światła

przetwarzające modulowane fale świetlne w sygnały elektryczne.

•

fotoogniwa

W tej grupie przyrządów stosowane są przede wszystkim fotodiody. Ich zaletą jest

niewielka masa i wymiary, a więc możliwość montażu w urządzeniach przenośnych.

Wykorzystywane są w postaci baterii słonecznych zasilających różne urządzenia np.

kalkulatory, do zasilania pojazdów kosmicznych.

2. Diody elektroluminescencyjne (DEL, LED)

Ich zaletami jest duża niezawodność, małe rozmiary i masa oraz łatwość scalania z innymi

przyrządami półprzewodnikowymi. Stosowane są jako wskaźniki i wyświetlacze alfanumeryczne w

aparaturze elektronicznej, urządzeniach przemysłowych i powszechnego użytku, do budowy

przenośnych płaskich ekranów, do podświetlania ekranów ciekłokrystalicznych, w telekomunikacji

do emisji światła modulowanego, w układach sterujących (np. w pilotach do zdalnego sterowania

sprzętem audiowizualnym).

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

9

3. Transoptory

Jest to konstrukcja złożona z diody elektroluminescencyjnej (źródła światła) oraz fotodiody

lub fototranzystora (fotodetektora), znajdujących się w jednej obudowie. Pomiędzy tymi

elementami występuje tylko sprzężenie optyczne, a zatem wejście i wyjście takiego układu jest od

siebie elektrycznie odizolowane (rezystancja pomiędzy obwodem wejściowym i wyjściowym

osiąga wartość 10

12

Ω

).

Stosowane są tam, gdzie wymagane jest odizolowanie od siebie dwóch układów, np. jako

szybkie, sprzęgające układy logiczne z wejściami i wyjściami przystosowanymi do współpracy z

układami cyfrowymi. Stosowane są także jako przerywacze optyczne, w których dioda LED i

fototranzystor oddzielone są od siebie wąską szczeliną. Umożliwia to wykrywanie pojawiających

się w szczelinie nieprzeźroczystych materiałów, np. dyskietki w stacji dysków lub papieru w

drukarce. Wytwarzane są odmiany przerywaczy reagujące na pojawienie się obiektu odbijającego

ś

wiatło, w których dioda LED i fototranzystor są umieszczone obok siebie tak, że ich osie są

skierowane w tym samym kierunku.

4. Lasery

Nie omawianymi dotąd przyrządami półprzewodnikowymi emitującymi promieniowanie

elektromagnetyczne są lasery. Ich działanie jest oparte na takich zjawiskach fizycznych jak inwersja

obsadzeń i emisja wymuszona. Ich omówienie wykracza poza ramy tematyczne tej instrukcji.

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

10

DODATEK 1.

Mechanizm rekombinacji promienistej

W półprzewodnikach o prostej przerwie energetycznej pęd elektronu o minimalnej

dozwolonej energii w paśmie przewodnictwa jest równy pędowi elektronu o maksymalnej

dozwolonej energii w paśmie walencyjnym (rys.1a.). W półprzewodnikach o skośnej przerwie

energetycznej pęd elektronu o minimalnej dozwolonej energii w paśmie przewodnictwa jest różny

od pędu elektronu o maksymalnej dozwolonej energii w paśmie walencyjnym (rys. 1b.).

Ponieważ pęd fotonu jest bardzo mały, podczas oddziaływania elektron-foton zachodzi tylko

zmiana energii elektronu, a nie ma zmiany jego pędu. Ze względu na to, że w przypadku

półprzewodników ze skośną przerwą energetyczną w rekombinacji promienistej następuje zmiana

zarówno energii jak i pędu elektronu, w procesie rekombinacji konieczny jest udział trzeciej

cząstki, która wymieniałaby swój pęd z elektronem. Tą cząstką jest fonon, czyli qasi-cząstka

przenosząca kwant energii drgań sieci krystalicznej półprzewodnika. Fonony posiadają zarówno

pewną energię jak i pęd. A zatem w przypadku rekombinacji promienistej w półprzewodniku ze

skośną przerwą energetyczną obok elektronu i fotonu konieczny jest udział fononu o odpowiedniej

energii i pędzie. Prawdopodobieństwo zajścia takiego, wymagającego udziału trzech cząstek

(elektronu, fotonu i fononu), promienistego procesu jest znacznie mniejsze od prawdopodobieństwa

zajścia niepromienistego procesu z udziałem dwóch cząstek, tzn. elektronu i fononu. A zatem

półprzewodniki ze skośną przerwą energetyczną charakteryzują się mniejszą wydajnością

rekombinacji promienistej niż półprzewodniki z prostą przerwą energetyczną.

h

υ

pęd elektronu

energia elektronu

pasmo przewodnictwa

+ + +

pasmo walencyjne

∆

p = 0

∆

E = E

g

pęd

elektronu

energia elektronu

h

υ

+ + +

∆

E = E

g

∆

p

≠

0

Rys.1. Rekombinacja promienista z udziałem: a) przejść prostych i b) przejść skośnych.

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

11

III. Przykładowe pytania (zagadnienia) sprawdzające stan przygotowania do ćwiczenia

1. Opisz zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Podaj wzór podstawowy i objaśnij znaczenie

każdego symbolu, podaj jego nazwę i miano.

2. Jak można obliczyć długość fali elektromagnetycznej emitowanej lub absorbowanej przez

dany półprzewodnik?

3. Co to jest krawędź absorbcji?

4. Co to jest czułość napięciowa i prądowa fotodetektora?

5. Narysuj i objaśnij rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych fotorezystora dla dwu

różnych, niezerowych wartości strumienia światła (opisz skale, użyj stosownych symboli i

pełnych nazw, wskaż charakterystykę odpowiadającą mniejszej wartości strumienia

ś

wiatła).

6. Narysuj i objaśnij rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych fotodiody dla dwu

różnych, niezerowych wartości strumienia światła (opisz skale, użyj stosownych symboli i

pełnych nazw, wskaż charakterystykę odpowiadającą mniejszej wartości strumienia

ś

wiatła).

7. Opisz zjawisko rekombinacji promienistej. Podaj wzór podstawowy, podaj nazwę i miano

wszystkich występujących w nim symboli.

8. Od czego zależy barwa światła emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną?

9. Wyjaśnij pojęcie sprawności świetlnej diody elektroluminescencyjnej.

10. Nazwij dwie skrajne barwy promieniowania świetlnego (widzialnego) i przypisz im

odpowiednio długości fali w nanometrach.

11. Podaj możliwe klasyfikacje i nazwy przyrządów optoelektronicznych (wykorzystując

informacje zamieszczone w niniejszej instrukcji).

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

12

IV. Instrukcja wykonawcza

do ćwiczenia pod tytułem:

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach”

(F)

1. Badanie charakterystyk I-U fotorezystora (typ clm 8500) przy różnym oświetleniu

Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys 1.

Rys.1. Schemat układu do pomiaru charakterystyki I-U fotorezystora.

Oba zasilacze umieszczone są we wspólnej obudowie zasilacza ZT 980 3M

(na rysunku oznaczono to linią przerywaną).

1.1. Warunki pomiarowe:

•

Napięcie zasilające fotorezystor U

< 2.6V:

– dostarczane jest z zasilacza napięciowego typ ZT 980 3M ( zaciski ozn. +/–),

– mierzone jest woltomierzem cyfrowym typ 1331 (1321) na zakresie 2V

(rezystancja wejściowa 1000 M

Ω).

•

Prąd płynący przez fotorezystor I

mierzony jest multimetrem analogowym typ V640 odpowiednio na zakresach

prądowych: 15mA, 1.5mA, 150

µ

A, 15

µ

A, 1.5

µ

A, 0.15

µ

A.

•

Oświetlenie fotorezystora

realizowane jest przy pomocy oświetlacza z wymiennymi przesłonami oznaczonymi

kropkami na obwodach ich cylindrów:

Każdej przesłonie przyporządkowana jest pewna wartość strumienia światła

Φ:

1 kropka oznacza wartość

Φ

1

,

2 kropki –

Φ

2

,

3 kropki –

Φ

3

.

Wartości tych strumieni spełniają zależność:

Φ

1

< Φ

2

< Φ

3

, a ponadto ilorazy:

Φ

2

/

Φ

1



oraz 

Φ

3

/

Φ

2



są w przybliżeniu równe i wynoszą ok. 2.

Istnieje możliwość całkowitego wyłączenia zasilania oświetlacza przy pomocy

wyłącznika umieszczonego w pobliżu zacisku „–” zasilacza ZT 980 3M. Ustawienie tego

wyłącznika w pozycji „do dołu” umożliwia pomiar tzw. prądu ciemnego.

ZASILACZ

OŚWIETLENIA

A

V

ZASILACZ

NAPIĘCIOWY

ż

arówka fotorezystor

przesłona

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

13

1.2. Pomiary

Dla każdej ustawionej wartości U

odczytać wartość prądu I oraz obliczyć rezystancję R

fotorezystora. Zalecaną postać tabeli pomiarowej (zamieszczanej w protokóle) dla każdej wartości

strumienia

Φ

przedstawiono poniżej:

U

0.5V

1V

1.5V

2V

2.5V

I

R

Pomiaru prądu ciemnego należy dokonać tylko dla napięcia 2.5V.

1.3. Opracowanie wyników

Na podstawie powyższych danych sporządzić:

– wykresy I(U) dla każdej wartości

Φ

(wspólne osie, papier milimetrowy A5),

– wykres R(

Φ...////Φ

1

)

, gdzie

Φ...////Φ

1

jest stosunkiem bieżącej wartości strumienia do

Φ

1

(papier milimetrowy A5).

Poniżej przedstawiono opis skal dla tych dwu wykresów:

0

0.5

1

1.5

2

2.5

I [

µµµµ

A]

U [V]

0

1

2

3

4

R [

Ω

Ω

Ω

Ω

]

Φ

Φ

Φ

Φ

.../

Φ

Φ

Φ

Φ

1

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

14

2. Badanie wpływu oświetlenia na charakterystykę I(U) fotodiody

Schemat układu do pomiaru charakterystyk fotodiody spolaryzowanej w kierunku

przewodzenia przedstawiony jest na rys. 2., a dla kierunku zaporowego na rys. 3.

Rys.2. Schemat układu pomiarowego dla fotodiody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia

Rys.3. Schemat układu pomiarowego dla fotodiody spolaryzowanej w kierunku zaporowym

fot. 1. Wygląd stanowiska służącego do pomiaru charakterystyk I(U) fotodiody przy obu

kierunkach polaryzacji. Na fotografii oznaczono najważniejsze elementy oraz regulatory.

h

υ

ZASILACZ

OŚWIETLENIA

V

R

U

F

A

I

fotodioda

h

υ

ZASILACZ

OŚWIETLENIA

ZASILACZ

NAPIĘCIOWY

A

V

R

U

R

I

fotodioda

regulator napięcia

mikrociemnia

zasilanie oświetlenia

wskaźnik cyfrowy

fotodioda

regulator rezystancji

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

15

2.1. Pomiary charakterystyk fotodiody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia –

– fotoogniwo

2.1.1. Warunki pomiarowe:

•

Oświetlenie fotoogniwa

– realizowane jest przy pomocy wbudowanej diody LED o regulowanej wartości prądu.

Poziom natężenia oświetlenia (wartość strumienia światła) wybierana jest poprzez

wciśnięcie odpowiedniego klawisza

Φ

. Wartości rożnych poziomów oświetlenia spełniają

nierówność:

Φ

1

< Φ

2

< Φ

3

, a ponadto ilorazy:

Φ

2

/

Φ

1



oraz 

Φ

3

/

Φ

2



są w przybliżeniu równe i

wynoszą ok. 2. W pozycji

Φ

= 0 fotoogniwo nie jest oświetlone.

•

Wyniki

odczytuje się ze wskaźnika cyfrowego, przy czym przecinek należy usytuować:

dla pomiaru prądu I –75.0

µ

A (wartość przykładowa)

dla pomiaru napięcia U 400mV (wartość przykładowa)

Obie przytoczone wartości przykładowe są bliskie wartościom maksymalnym

.

•

Regulacja usytuowania punktu I, U na charakterystyce I(U) fotoogniwa

realizowana jest za pomocą pokrętła regulacji rezystancji rezystora Rdv, zakres regulacji

rezystancji: od ok. 100

Ω

do ok. 25k

Ω

.

•

Ustawienia przełączników widocznych na fot. 1.( realizacja układu pomiarowego z rys. 2.):

– ustawić przełącznik „F/R” w położeniu „F”

– ustawić przełącznik „Rd=” w położeniu:

„0” dla pomiaru wartości prądu zwarciowego fotoogniwa (U = 0)

„00” dla pomiaru wartości siły elektromotorycznej fotoogniwa (I = 0)

„Rv” dla pomiaru charakterystyki I(U) fotoogniwa

– ustawić przełącznik „I/U” w położeniu:

„I” dla pomiaru prądu

„U” dla pomiaru napięcia

2.1.2.Pomiary

Zmierzyć i zanotować wartości prądu zwarciowego I

Z

fotodiody dla trzech wartości

strumienia świetlnego

Φ (Φ

1

, Φ

2

, Φ

3

).

Zmierzyć i zanotować wartości siły elektromotorycznej E fotodiody dla trzech wartości

strumienia świetlnego

Φ (Φ

1

, Φ

2

, Φ

3

).

Zmierzyć i zanotować wartości prądu i napięcia fotodiody dla trzech wartości strumienia

ś

wietlnego

Φ

i dla trzech wartości rezystancji rezystora regulowanego Rdv (tak dobranych, aby

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

16

możliwe było narysowanie charakterystyki I(U) fotoogniwa).

Sporządzić odpowiednie tabele pomiarowe dla każdej wartości strumienia świetlnego

Φ

.

2.1.3. Opracowanie wyników

Na podstawie powyższych danych oraz danych pomiarowych uzyskanych w następnym

punkcie sporządzany będzie wykres rodziny charakterystyk I(U) fotoogniwa dla trzech wartości

strumienia świetlnego

Φ

. Sposób przygotowania wykresu podano w pkt. 2.2.3.

2.2. Pomiary charakterystyk fotodiody spolaryzowanej w kierunku zaporowym –

– fotodetektor

2.2.1. Warunki pomiarowe:

•

Oświetlenie fotoogniwa

– realizowane jest przy pomocy wbudowanej diody LED o regulowanej wartości prądu.

Poziom natężenia oświetlenia (wartość strumienia światła) wybierana jest poprzez

wciśnięcie klawisza

Φ

. Wartości rożnych poziomów oświetlenia spełniają nierówność:

Φ

1

< Φ

2

< Φ

3

, a ponadto ilorazy:

Φ

2

/

Φ

1



oraz 

Φ

3

/

Φ

2



są w przybliżeniu równe i wynoszą

ok. 2. W pozycji

Φ

= 0 fotoogniwo nie jest oświetlone.

•

Wyniki odczytuje się ze wskaźnika cyfrowego, przy czym przecinek należy usytuować:

dla pomiaru prądu I –75.0

µ

A (wartość przykładowa)

dla pomiaru napięcia U 1990mV (wartość przykładowa)

Obie przytoczone wartości przykładowe są bliskie wartościom maksymalnym

.

•

Regulacja usytuowania punktu I, U na charakterystyce I(U) fotoogniwa

realizowana jest za pomocą pokrętła regulacji rezystancji rezystora Rdv, zakres regulacji

rezystancji: od ok. 100

Ω

do ok. 25k

Ω

.

•

Ustawienia przełączników widocznych fot. 1.( realizacja układu pomiarowego z rys. 3.):

– ustawić przełącznik „F/R” w położeniu „R”

– ustawić przełącznik „Rd=” w położeniu „0”

2.2.2.Pomiary

Zmierzyć i zanotować wartości prądu fotodiody dla czterech wartości napięcia zaporowego

U

R

: 0.5V, 1.0V, 1.5V, 2V(1.99V) oraz trzech wartości strumienia świetlnego

Φ (Φ

1

, Φ

2

, Φ

3

).

Zmierzyć wartość prądu ciemnego przy napięciu zaporowym 1,99V.

Sporządzić odpowiednią tabelę pomiarową.

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

17

DEL (LED)

WOLTOMIERZ

CYFROWY

ZASILACZ

PRĄDOWY

I

P

W

N

ziel.

czerw.

2.2.3. Opracowanie wyników

Sporządź wykres I(U) dla obu kierunków polaryzacji fotodiody dla oświetleń o

poziomach

Φ

1

, Φ

2

, Φ

3

korzystając z zapisów w tabelach (protokół pomiarowy). Dla potrzeb

wykresu należy przyjąć dla napięcia w kierunku zaporowym znak „–”.

Sugerowana postać skalowania wykresu (wykonanego na papierze milimetrowym A4):

3. Badanie charakterystyk I(U) diod elektroluminescencyjnych (LED)

Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys.4.

Rys. 4. Schemat układu pomiarowego do badanie charakterystyk I(U) diod

elektroluminescencyjnych (LED)

3.1. Warunki pomiarowe:

•

Prąd płynący przez diodę elektroluminescencyjną LED:

– wartość prądu jest wymuszana przez zasilacz prądowy typ LZP-1 i może być regulowana

w granicach od 10

µ

A do 10 mA; odczytuje się ją ze wskaźnika wychyłowego.

•

Napięcie na diodzie:

– mierzone jest woltomierzem cyfrowym typ 1331 (1321) na zakresie 2V

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

U

F

[V]

2

0.5

1.5

U

R

[V]

I [

µµµµ

A]

(-1.99)

1cm = 0.1V

lub

1cm = 10

µ

A

„Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach” (F)

18

(z uwagi na dużą rezystancję wejściową woltomierza, która na tym zakresie

pomiarowym wynosi 1000 M

Ω,

wpływ bocznikowania diody jest pomijalny)

•

Ustawienie przełącznika P:

– wybrać pozycję odpowiadającą diodzie świecącej na zielono lub czerwono

3.2. Pomiary

Dla każdej ustawionej wartości prądu I odczytać wartość spadku napięcia na diodzie U.

Sugerowane wartości prądów: 10

µ

A, 100

µ

A, 1mA, 10mA.

Pomiary wykonać dla obu diod.

Sporządzić odpowiednie tabele pomiarowe.

3.3. Opracowanie wyników

Na podstawie powyższych danych sporządzić wykresy I(U). Sugerowaną postać skal na

wykresie przedstawiono poniżej (wykonanie na papierze milimetrowym A4).

1

10

100

1000

10000

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

I [

µµµµ

A]

U [V]