LABORATORIUM FIZYCZNE |
Grupa lab.: 9 |
|
Kolejny Nr ćwiczenia: 6 |
Nazwisko i imię: Dutkiewicz Piotr |
Wydział: ETI |
Symbol ćwiczenia: 54 |
Data odrobienia ćwiczenia: 25 - XI - 1998 |
Sem: 1 |
Temat:
Badanie optoelektrycznych przyrządów półprzewodnikowych |
Data oddania sprawozdania: |
Grupa st. 2 |
|
Podpis asystenta: |
Ocena:
|
Badanie optoelektrycznych właściwości przyrządów półprzewodnikowych
Zasada i przebieg pomiarów
W ćwiczeniu pomiary względnej czułości widmowej wykonuje się przy użyciu światła niezmodulowanego. Zależność φ(Δλ) dla stosowanego źródła światła (przez źródło światła rozumiemy tu szczelinę wyjściową monochromatora) została ustalona wcześniej za pomocą termoogniwa. Jest podana w tabeli z wynikami.
Pomiar czułości widmowej
Czułość widmową w ćwiczeniu obliczamy ze wzoru:
gdzie: S(Δλ) - jest generowanym w warunkach ćwiczenia sygnałem fotoelementu.
Względną czułość widmową obliczamy ze stosunku czułości widmowej do maksymalnej czułości widmowej:
gdzie: Cmax - jest maksymalną czułością fotoelementu.
Fotorezystora
Jako S(Δλ) w warunkach ćwiczenia przyjmuje się wartość przewodności fotorezystora przy danym oświetleniu, pomniejszoną o wartość przewodności ciemnej, tj. przewodności, kiedy fotorezystor nie jest oświetlony.
gdzie: R(Δλ) - rezystancja fotorezystora oświetlonego światłem o zakresie długości fal Δλ,
Rc - rezystancja fotorezystora nieoświetlonego.
Jednostką tak przyjętej czułości widmowej C(λ) jest
. Rezystancję fotorezystora mierzymy przy długościach fal z obszaru 400-900 [nm], w odstępach co 20 [nm].
Fotodiody
Jako S(Δλ) przyjmuje się tutaj wartość natężenia prądu płynącego przez fotodiodę w danych warunkach oświetlenia, pomniejszona o wartość natężenia prądu ciemnego (przy braku oświetlenia), przy stałym napięciu zasilania.
gdzie: I(Δλ) - prąd płynący przez diodę oświetloną światłem o zakresie długości fal Δλ,
Ic - prąd płynący przez diodę nieoświetloną.
Jednostką tu będzie
. W ćwiczeniu ogniwem zasilającym była bateria o napięciu 1,448 [V]. Prąd płynący przez diodę mierzymy przy długościach fal z obszaru 400-900 [nm], w odstępach co 20 [nm].
Pomiar średniego czasu życia nośników nadmiarowych w fotorezystorze
Układ do pomiaru średniego czasu życia nośników nadmiarowych składa się z obwodu elektrycznego zawierającego fotorezystor, ogniwo elektryczne (bateria o stałym napięciu 1,448 [V]), oraz rezystor, na którym za pomocą oscyloskopu mierzymy napięcie powstałe na skutek przewodności fotoelementu. Podczas jego oświetlania generowane są w nim nadmiarowe nośniki ładunku.
Obliczeń dokonano na podstawie wzoru:
skojarzonego z równaniem liniowym y = ax + b, w którym:
x = t, y =
, a =
, b =
, ε = 1,448[V].
Pomiary, obliczenia
Czułość widmowa
Tabela pomiarów i wyników.
|
|
|
|
Czułość widmowa |
Czułość względna |
||
|
|
|
|
Rezystor |
Dioda |
Rezystor |
Dioda |
λ |
φ(Δλ) |
R(Δλ) *103 [Ω] |
If *10-6 [A] |
C(λ) *106
[ |
C(λ) *106
[ |
Cw(λ) |
Cw(λ) |
400 |
0,0066 |
10050 |
0,2 |
15,076 |
30,303 |
0,27033 |
1 |
420 |
0,0235 |
3050 |
0,15 |
13,952 |
6,383 |
0,25017 |
0,21064 |
440 |
0,0609 |
970 |
0,07 |
16,928 |
1,149 |
0,30353 |
0,03793 |
460 |
0,127 |
415 |
0,09 |
18,974 |
0,709 |
0,34021 |
0,02339 |
480 |
0,229 |
176 |
0,2 |
24,811 |
0,873 |
0,44489 |
0,02882 |
500 |
0,37 |
48,5 |
0,38 |
55,726 |
1,027 |
0,99920 |
0,03389 |
520 |
0,546 |
34,5 |
0,7 |
53,087 |
1,282 |
0,95189 |
0,04231 |
540 |
0,783 |
22,9 |
1,15 |
55,77 |
1,469 |
1 |
0,04847 |
560 |
1,12 |
16,95 |
1,83 |
52,676 |
1,634 |
0,94452 |
0,05392 |
580 |
1,508 |
13,25 |
2,79 |
50,048 |
1,85 |
0,89739 |
0,06105 |
600 |
1,92 |
11,2 |
4,14 |
46,503 |
2,156 |
0,83383 |
0,07116 |
620 |
2,374 |
10,15 |
5,99 |
41,5 |
2,523 |
0,74413 |
0,08326 |
640 |
2,912 |
10,3 |
8,55 |
33,34 |
2,936 |
0,59782 |
0,09689 |
660 |
3,66 |
11,7 |
11,43 |
23,352 |
3,123 |
0,41873 |
0,10306 |
680 |
4,42 |
15,85 |
15,37 |
14,274 |
3,477 |
0,25594 |
0,11475 |
700 |
5,35 |
22,55 |
20,11 |
8,289 |
3,759 |
0,14863 |
0,12404 |
720 |
6,32 |
36,15 |
25,4 |
4,377 |
4,019 |
0,07848 |
0,13263 |
740 |
7,35 |
59,3 |
31,4 |
2,294 |
4,272 |
0,04114 |
0,14098 |
760 |
8,52 |
101,35 |
38,45 |
1,158 |
4,513 |
0,02077 |
0,14893 |
780 |
9,86 |
168 |
46,85 |
0,604 |
4,752 |
0,01082 |
0,15680 |
800 |
11,1 |
265 |
54,05 |
0,34 |
4,869 |
0,00610 |
0,16069 |
820 |
12,55 |
485 |
60,25 |
0,164 |
4,801 |
0,00295 |
0,15843 |
840 |
13,83 |
676 |
65 |
0,107 |
4,7 |
0,00192 |
0,15510 |
860 |
15,15 |
911 |
69 |
0,072 |
4,554 |
0,00130 |
0,15030 |
880 |
16,65 |
1206 |
68,95 |
0,05 |
4,141 |
0,00089 |
0,13666 |
900 |
18,01 |
1499 |
64,6 |
0,037 |
3,587 |
0,00066 |
0,11837 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Element maksymalny: |
55,77 |
30,303 |
|
|
Fotorezystor
Ponieważ rezystancja Rc jest bardzo duża, że dysponowanym miernikiem nie można było jej określić, przyjęto że
. Wzór zredukowano więc do postaci:
Czułość widmową obliczano ze wzoru . Czułość względną zaś ze wzoru .
Przykład obliczeń:
Cmax =55,77
, więc
Fotodioda
Ponieważ prąd Ic jest bardzo mały, że dysponowanym miernikiem nie można było jego zmierzyć, przyjęto że
. Wzór zredukowano więc do postaci:
Czułość widmową obliczano ze wzoru . Czułość względną zaś ze wzoru .
Przykład obliczeń:
Cmax =30,303
, więc
Wykres
Czas życia nośników
|
xi = t [s] |
U(t) [V] |
yi |
1 |
0 |
0,23 |
1,666886 |
2 |
0,002 |
0,15 |
2,157945 |
3 |
0,004 |
0,12 |
2,403938 |
4 |
0,006 |
0,105 |
2,548701 |
5 |
0,008 |
0,09 |
2,713959 |
6 |
0,01 |
0,07 |
2,979893 |
7 |
0,012 |
0,06 |
3,141275 |
8 |
0,014 |
0,05 |
3,330775 |
9 |
0,016 |
0,045 |
3,439706 |
10 |
0,018 |
0,045 |
3,439706 |
Tabela pomiarów i wyników:
Wartości x i y są elementami wzoru .
Mając dany zbiór wartości (xi, yi), to współczynniki a i b równania można określić stosując metodę regresję liniową z wykorzystaniem metody najmniejszych kwadratów.
,
,
,
,
,
,
,
Ostatecznie otrzymujemy:
a = 95,77438 , b = 1,920309
Średni czas życia nośników nadmiarowych obliczmy jako: τ = 1/a , więc:
Analiza błędów
Błąd względny określenia czasu życia jest uwarunkowany błędem wyznaczenia współczynnika kierunkowego a . Korzystamy więc ze wzoru:
. bezwzględny błąd wyznaczenia współczynnika kierunkowego a znajdujemy jako Δa = Sa.
Ostatecznie po podstawieniu i wyliczeniu:
Δa = 7,34585
6