Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki
Zespół Laboratoriów Przyrządów Półprzewodnikowych
Pomoce dydaktyczne oraz Instrukcja wykonawcza
do ćwiczenia pod tytułem:
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
Opracowanie: mgr in\
. Józef Maciak
dr in\
. 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 z
ródła 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� większej bądz
równej szerokości przerwy zabronionej Eg tego półprzewodnika :
h� > Eg (1)
gdzie: h  stała Plancka 6,626x10-34 [Js],
�  częstotliwość promieniowania [Hz],
Eg  szerokość przerwy zabronionej [eV].
Po uwzględnieniu związku pomiędzy częstotliwością a długością fali promieniowania
elektromagnetycznego  :
 = c/� (2)
gdzie: c  prędkość światła w pró\
ni 2,998x 108 [m/s]
wzór (1) przyjmuje postać:
 < hc /Eg (3)
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
Zajście zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego oznacza, \
e promieniowanie
elektromagnetyczne o odpowiednio du\
ej 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
przez
roczysty).
Maksymalna długość fali, przy której zachodzi absorpcja promieniowania
elektromagnetycznego nosi nazwę długofalowego progu absorpcji lub krawędzi absorpcji.
Przykładową krzywą absorpcji przedstawia rys.1.
czułość
długość fali 
Rys.1. Przykładowy przebieg krzywej absorpcji
Konduktywność półprzewodnika nie poddanego działaniu promieniowania
elektromagnetycznego �0 określa się wzorem:
�0 = q ( n0�n + p0�p ) (4)
Gdzie: n0  koncentracja równowagowa elektronów,
p0  koncentracja równowagowa dziur,
�n  ruchliwość elektronów,
�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
"� :
"� = q ( "n�n +"p�p ) (5)
2
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
Półprzewodnikowe przyrządy fotoelektryczne oparte na wewnętrznym zjawisku
fotoelektrycznym (przetwarzające sygnał promieniowania elektromagnetycznego na sygnał
elektryczny) mo\
na 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 "� zgodnie ze wzorem (5). Pojawiające się pary elektron-dziura są
 rozrywane przez pole elektryczne powstałe w wyniku przyło\
onego do fotorezystora ró\
nego od
zera napięcia U, które powoduje przepływ prądu.
Elektryczna charakterystyka prądowo-napięciowa I(U) w układzie współrzędnych
prostokątnych jest dla danej wartości natę\
enia oświetlenia (strumienia świetlego Ś , mocy
promieniowania elektromagnetycznego Pe) linią prostą. Przy zwiększaniu wartości natę\
enia
oświetlenia zwiększa się kąt nachylenia tej prostej. Dla danej prostej obowiązuje prawo Ohma
( I = U/R, gdzie: I  natę\
enie prądu płynącego przez fotorezystor, U  spadek napięcia na
fotorezystorze, R  rezystancja fotorezystora). Na rys. 2. przedstawiono przykładowe
charakterystyki fotorezystora dla ró\
nych oświetleń.
I
Ć1
Ć2
Ć1 > Ć2
0
U
Rys. 2. Przykładowe charakterystyki I(U) fotorezystora dla ró\
nych oświetleń
Typowymi materiałami u\
ywanymi do wytwarzania fotorezystorów są:
 siarczek ołowiowy PbS,
 selenek ołowiowy PbSe,
 tellurek ołowiowy PbTe,
 german Ge,
 antymonek indu InSb,
 siarczek kadmowy CdS.
3
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
Z wymienionych powy\
ej materiałów tylko siarczek kadmowy, odznaczający się względnie
du\
ą 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
podło\
u.
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 ni\
dziury (rys. 3.).
typ  n
h�
+ +
+
+
+
typ  p
+
+
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
ró\
niących się typem domieszek. Jeden z nich jest domieszkowany donorami (półprzewodnik typu
n), czyli atomami posiadającymi o jeden elektron walencyjny więcej ni\
atomy pierwiastka
tworzącego podło\
e. Drugi obszar jest domieszkowana akceptorami (półprzewodnik typu p), czyli
atomami posiadającymi o jeden elektron walencyjny mniej ni\
atomy pierwiastka tworzącego
podło\
e. Cechą charakterystyczną warstwy zaporowej jest to, \
e istnieje w niej pole elektryczne.
Sprawia ono, \
e 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 obni\
anie złączowej bariery potencjału (pojęcie złączowej bariery potencjału jest
przedmiotem wykładu w dalszej części semestru). Umo\
liwia to przejście nośników przez obni\
oną
4
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
barierę potencjału w kierunku przeciwnym ni\
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 obni\
oną barierę potencjału. Przez cały czas
trwania oświetlenia na złączu występuje siła elektromotoryczna.
Je\
eli złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym następuje (w wyniku oświetlenia)
zwiększenie wartości prądu płynącego w kierunku zaporowym (zwiększenie kondunktancji złącza
w kierunku zaporowym).
I
a)
Ć1 = 0
U U
R F
0
b) I
U U
R F
0
Ć1
Ć2 Ć2 > Ć1
I
Z1
I
c)
U U
R F
0
Ć1
E
T1
Ć2
Ć2 > Ć1
Rys. 4. Charakterystyki prądowo-napięciowe I(U) fotodiody:
a) charakterystyki nieoświetlonego złącza,
b) charakterystyki pochodzące wyłącznie od oświetlenia,
c) charakterystyki wypadkowe.
5
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
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 ró\
nych oświetleń (Ś1,Ś2). �a rys.4c. zamieszczona charakterystykę wypadkową (ka\
dorazowo
 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 ró\
nicą, \
e jego prąd kolektora zale\
y
od natę\
enia 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 nale\
ą:
 czułość napięciowa SU
 czułość prądowa SI
Definiuje się je następującymi zale\
nościami:
SU = dUp / dPe [V/W] (6)
SI = dIp / dPe [A/W] (7)
gdzie: Up  napięcie fotoelektryczne [V],
Ip  prąd fotoelektryczny [A],
Pe  moc promieniowania elektromagnetycznego [W].
6
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
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. Wyró\
niamy 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 tak\
e w obszarze
warstwy zaporowej. Je\
eli wśród przejść rekombinacyjnych mają miejsce przejścia rekombinacji
promienistej dioda emituje promieniowanie elektromagnetyczne.
strumień elektronów
typ  n
h�
h�
h�
+ + + +
+
typ  p
+
+ +
strumień dziur
Rys. 5. Energetyczny model pasmowy diody elektroluminescencyjnej.
Długość fali emitowanego promieniowania zale\
y od szerokości przerwy zabronionej
półprzewodnika, z jakiego wykonana jest dioda:
 =hc/ Eg (8)
Głównym parametrem charakteryzującym diody elektroluminescencyjne jest sprawność
świetlna zdefiniowana jako:
�D = ŚV / P [lm/W] (9)
gdzie: ŚV  strumień świetlny emitowany przez diodę [lm],
P  moc elektryczna dostarczona do diody [W].
7
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
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 \
ółta 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, du\
a niezawodność oraz łatwość
scalania z innymi przyrządami półprzewodnikowymi. Stosowane są w ró\
nego rodzaju
detektorach promieniowania widzialnego i podczerwonego; urządzeniach sygnalizacyjnych,
alarmowych (np. przeciwpo\
arowych), 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 u\
ytku 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 mo\
liwość monta\
u w urządzeniach przenośnych.
Wykorzystywane są w postaci baterii słonecznych zasilających ró\
ne urządzenia np.
kalkulatory, do zasilania pojazdów kosmicznych.
2. Diody elektroluminescencyjne (DEL, LED)
Ich zaletami jest du\
a niezawodność, małe rozmiary i masa oraz łatwość scalania z innymi
przyrządami półprzewodnikowymi. Stosowane są jako wskaz
niki i wyświetlacze alfanumeryczne w
aparaturze elektronicznej, urządzeniach przemysłowych i powszechnego u\
ytku, 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).
8
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
3. Transoptory
Jest to konstrukcja zło\
ona z diody elektroluminescencyjnej (z
ródła światła) oraz fotodiody
lub fototranzystora (fotodetektora), znajdujących się w jednej obudowie. Pomiędzy tymi
elementami występuje tylko sprzę\
enie optyczne, a zatem wejście i wyjście takiego układu jest od
siebie elektrycznie odizolowane (rezystancja pomiędzy obwodem wejściowym i wyjściowym
osiąga wartość 1012&!).
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 tak\
e jako przerywacze optyczne, w których dioda LED i
fototranzystor oddzielone są od siebie wąską szczeliną. Umo\
liwia to wykrywanie pojawiających
się w szczelinie nieprzez
roczystych materiałów, np. dyskietki w stacji dysków lub papieru w
drukarce. Wytwarzane są odmiany przerywaczy reagujące na pojawienie się obiektu odbijającego
światło, w których dioda LED i fototranzystor są umieszczone obok siebie tak, \
e 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.
9
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
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 ró\
ny
od pędu elektronu o maksymalnej dozwolonej energii w paśmie walencyjnym (rys. 1b.).
Poniewa\
pęd fotonu jest bardzo mały, podczas oddziaływania elektron-foton zachodzi tylko
zmiana energii elektronu, a nie ma zmiany jego pędu. Ze względu na to, \
e 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 ni\
półprzewodniki z prostą przerwą energetyczną.
energia elektronu energia elektronu
pasmo przewodnictwa
h�
h�
"E = Eg "E = Eg
+ +
+ + pasmo walencyjne + +
pęd elektronu pęd
"p = 0 "p `" 0
elektronu
Rys.1. Rekombinacja promienista z udziałem: a) przejść prostych i b) przejść skośnych.
10
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
III. Przykładowe pytania (zagadnienia) sprawdzające stan przygotowania do ćwiczenia
1. Opisz zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Podaj wzór podstawowy i objaśnij znaczenie
ka\
dego symbolu, podaj jego nazwę i miano.
2. Jak mo\
na obliczyć długość fali elektromagnetycznej emitowanej lub absorbowanej przez
dany półprzewodnik?
3. Co to jest krawędz
absorbcji?
4. Co to jest czułość napięciowa i prądowa fotodetektora?
5. Narysuj i objaśnij rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych fotorezystora dla dwu
ró\
nych, niezerowych wartości strumienia światła (opisz skale, u\
yj stosownych symboli i
pełnych nazw, wska\
charakterystykę odpowiadającą mniejszej wartości strumienia
światła).
6. Narysuj i objaśnij rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych fotodiody dla dwu
ró\
nych, niezerowych wartości strumienia światła (opisz skale, u\
yj stosownych symboli i
pełnych nazw, wska\
charakterystykę odpowiadającą mniejszej wartości strumienia
światła).
7. Opisz zjawisko rekombinacji promienistej. Podaj wzór podstawowy, podaj nazwę i miano
wszystkich występujących w nim symboli.
8. Od czego zale\
y 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 mo\
liwe klasyfikacje i nazwy przyrządów optoelektronicznych (wykorzystując
informacje zamieszczone w niniejszej instrukcji).
11
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
IV. Instrukcja wykonawcza
do ćwiczenia pod tytułem:
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
1. Badanie charakterystyk I-U fotorezystora (typ clm 8500) przy ró\
nym oświetleniu
Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys 1.
\
arówka fotorezystor
A
ZASILACZ
ZASILACZ
V
OŚWIETLENIA
NAPI
CIOWY
przesłona
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&!).
" Prąd płynący przez fotorezystor I
mierzony jest multimetrem analogowym typ V640 odpowiednio na zakresach
prądowych: 15mA, 1.5mA, 150�A, 15�A, 1.5�A, 0.15�A.
" Oświetlenie fotorezystora
realizowane jest przy pomocy oświetlacza z wymiennymi przesłonami oznaczonymi
kropkami na obwodach ich cylindrów:
Ka\
dej przesłonie przyporządkowana jest pewna wartość strumienia światła Ś:
1 kropka oznacza wartość Ś1, 2 kropki  Ś2, 3 kropki  Ś3.
Wartości tych strumieni spełniają zale\
ność: Ś1 < Ś2 < Ś3, a ponadto ilorazy:
Ś2/ �Ś1 oraz Ś3/Ś2 � są w przybli\
eniu równe i wynoszą ok. 2.
� �
Istnieje mo\
liwość całkowitego wyłączenia zasilania oświetlacza przy pomocy
wyłącznika umieszczonego w pobli\
u zacisku    zasilacza ZT 980 3M. Ustawienie tego
wyłącznika w pozycji  do dołu umo\
liwia pomiar tzw. prądu ciemnego.
12
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
1.2. Pomiary
Dla ka\
dej ustawionej wartości U odczytać wartość prądu I oraz obliczyć rezystancję R
fotorezystora. Zalecaną postać tabeli pomiarowej (zamieszczanej w protokóle) dla ka\
dej wartości
strumienia Ś przedstawiono poni\
ej:
U 0.5V 1V 1.5V 2V 2.5V
I
R
Pomiaru prądu ciemnego nale\
y dokonać tylko dla napięcia 2.5V.
1.3. Opracowanie wyników
Na podstawie powy\
szych danych sporządzić:
 wykresy I(U) dla ka\
dej wartości Ś (wspólne osie, papier milimetrowy A5),
 wykres R(Ś.../ /Ś1 jest stosunkiem bie\
ącej wartości strumienia do Ś1
/Ś1), gdzie Ś.../
/ /
/ /
(papier milimetrowy A5).
Poni\
ej przedstawiono opis skal dla tych dwu wykresów:
I [� R [&!
�A] &!]
� &!
� &!
U [V] Ś.../Ś1
Ś Ś
Ś Ś
Ś Ś
0 0
0.5 1 1.5 2 2.5 1 2 3 4
13
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
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.
fotodioda
I
h�
A
ZASILACZ
V
OŚWIETLENIA
R
UF
Rys.2. Schemat układu pomiarowego dla fotodiody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia
fotodioda
R
h� I
A
ZASILACZ
ZASILACZ
V
OŚWIETLENIA
NAPI
CIOWY
UR
Rys.3. Schemat układu pomiarowego dla fotodiody spolaryzowanej w kierunku zaporowym
fotodioda
zasilanie oświetlenia wskaz
nik cyfrowy
mikrociemnia
regulator napięcia
regulator rezystancji
fot. 1. Wygląd stanowiska słu\
ącego do pomiaru charakterystyk I(U) fotodiody przy obu
kierunkach polaryzacji. Na fotografii oznaczono najwa\
niejsze elementy oraz regulatory.
14
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
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 natę\
enia oświetlenia (wartość strumienia światła) wybierana jest poprzez
wciśnięcie odpowiedniego klawisza Ś. Wartości ro\
nych poziomów oświetlenia spełniają
nierówność: Ś1 < Ś2 < Ś3, a ponadto ilorazy: Ś2/ �Ś1 oraz Ś3/Ś2 � są w przybli\
eniu równe i
� �
wynoszą ok. 2. W pozycji Ś = 0 fotoogniwo nie jest oświetlone.
" Wyniki
odczytuje się ze wskaz
nika cyfrowego, przy czym przecinek nale\
y usytuować:
dla pomiaru prądu I  75.0�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 &! do ok. 25k&!.
" Ustawienia przełączników widocznych na fot. 1.( realizacja układu pomiarowego z rys. 2.):
 ustawić przełącznik  F/R w poło\
eniu  F
 ustawić przełącznik  Rd= w poło\
eniu:
 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 poło\
eniu:
 I dla pomiaru prądu
 U dla pomiaru napięcia
2.1.2.Pomiary
Zmierzyć i zanotować wartości prądu zwarciowego IZ fotodiody dla trzech wartości
strumienia świetlnego Ś (Ś1, Ś2, Ś3).
Zmierzyć i zanotować wartości siły elektromotorycznej E fotodiody dla trzech wartości
strumienia świetlnego Ś (Ś1, Ś2, Ś3).
Zmierzyć i zanotować wartości prądu i napięcia fotodiody dla trzech wartości strumienia
świetlnego Ś i dla trzech wartości rezystancji rezystora regulowanego Rdv (tak dobranych, aby
15
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
mo\
liwe było narysowanie charakterystyki I(U) fotoogniwa).
Sporządzić odpowiednie tabele pomiarowe dla ka\
dej wartości strumienia świetlnego Ś.
2.1.3. Opracowanie wyników
Na podstawie powy\
szych danych oraz danych pomiarowych uzyskanych w następnym
punkcie sporządzany będzie wykres rodziny charakterystyk I(U) fotoogniwa dla trzech wartości
strumienia świetlnego Ś. 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 natę\
enia oświetlenia (wartość strumienia światła) wybierana jest poprzez
wciśnięcie klawisza Ś. Wartości ro\
nych poziomów oświetlenia spełniają nierówność:
Ś1 < Ś2 < Ś3, a ponadto ilorazy: Ś2/ �Ś1 oraz Ś3/Ś2 � są w przybli\
eniu równe i wynoszą
� �
ok. 2. W pozycji Ś = 0 fotoogniwo nie jest oświetlone.
" Wyniki odczytuje się ze wskaz
nika cyfrowego, przy czym przecinek nale\
y usytuować:
dla pomiaru prądu I  75.0�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 &! do ok. 25k&!.
" Ustawienia przełączników widocznych fot. 1.( realizacja układu pomiarowego z rys. 3.):
 ustawić przełącznik  F/R w poło\
eniu  R
 ustawić przełącznik  Rd= w poło\
eniu  0
2.2.2.Pomiary
Zmierzyć i zanotować wartości prądu fotodiody dla czterech wartości napięcia zaporowego
UR: 0.5V, 1.0V, 1.5V, 2V(1.99V) oraz trzech wartości strumienia świetlnego Ś (Ś1, Ś2, Ś3).
Zmierzyć wartość prądu ciemnego przy napięciu zaporowym 1,99V.
Sporządzić odpowiednią tabelę pomiarową.
16
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
2.2.3. Opracowanie wyników
Sporządz
wykres I(U) dla obu kierunków polaryzacji fotodiody dla oświetleń o
poziomach Ś1, Ś2, Ś3 korzystając z zapisów w tabelach (protokół pomiarowy). Dla potrzeb
wykresu nale\
y przyjąć dla napięcia w kierunku zaporowym znak    .
Sugerowana postać skalowania wykresu (wykonanego na papierze milimetrowym A4):
I [�
�A]
�
�
UR [V] UF [V]
2 1.5 0.5
0
(-1.99)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
1cm = 0.1V
lub
1cm = 10�A
3. Badanie charakterystyk I(U) diod elektroluminescencyjnych (LED)
Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys.4.
P
ZASILACZ W
czerw. ziel.
PR
DOWY WOLTOMIERZ
CYFROWY
I
N
DEL (LED)
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 mo\
e być regulowana
w granicach od 10�A do 10 mA; odczytuje się ją ze wskaz
nika wychyłowego.
" Napięcie na diodzie:
 mierzone jest woltomierzem cyfrowym typ 1331 (1321) na zakresie 2V
17
 Zjawiska optoelektroniczne w półprzewodnikach (F)
(z uwagi na du\
ą rezystancję wejściową woltomierza, która na tym zakresie
pomiarowym wynosi 1000 M&!, wpływ bocznikowania diody jest pomijalny)
" Ustawienie przełącznika P:
 wybrać pozycję odpowiadającą diodzie świecącej na zielono lub czerwono
3.2. Pomiary
Dla ka\
dej ustawionej wartości prądu I odczytać wartość spadku napięcia na diodzie U.
Sugerowane wartości prądów: 10�A, 100�A, 1mA, 10mA.
Pomiary wykonać dla obu diod.
Sporządzić odpowiednie tabele pomiarowe.
3.3. Opracowanie wyników
Na podstawie powy\
szych danych sporządzić wykresy I(U). Sugerowaną postać skal na
wykresie przedstawiono poni\
ej (wykonanie na papierze milimetrowym A4).
�A]
I [�
�
�
10000
1000
100
10
U [V]
1
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
18