Żmudziński Tomasz

WETI AiR

Gdańsk 13.12.1997

Ćwiczenie 54.

Badanie optoelektrycznych właściwości przyrządów półprzewodnikowych.

Dane stanowiska.

8(nm)	N()8)	R [kS]	I[mA]
400	0,0066	3300	0,13
420	0,0235	6988	0,15
440	0,0609	3930	0,09
460	0,2700	1700	0,03
480	0,2290	883	0,02
500	0,3700	386	0,05
520	0,5460	128	0,09
540	0,7830	99	0,16
560	1,1200	72	0,24
580	1,5080	55	0,35
600	1,9200	45	0,47
620	2,3740	40	0,65
640	2,9120	36	0,88
660	3,6600	36	1,17
680	4,4200	37	1,53
700	5,3500	41	0,92
720	6,3200	51	2,42
740	7,3500	68	2,90
760	8,5200	93	3,58
780	9,8600	134	4,22
800	11,1000	194	4,90
820	12,5500	273	5,62
840	13,8300	400	6,52
860	15,1500	567	7,39
880	16,6500	760	8,25
900	18,0100	1305	9,09

t [s]	U [mv]
0,000	300
0,004	175
0,008	110
0,012	80
0,016	65
0,02	50
0,024	40
0,028	35
0,032	35
0,033	35

Badanie optoelektrycznych właściwości przyrządów półprzewodnikowych.

Badanie optoelektrycznych właściwości przyrządów półprzewodnikowych polega na wyznaczeniu ich czułości widmowych oraz czasu życia nadmiarowych nośników ładunku. W celu uproszczenia opisu przebiegu ćwiczenia podzielę go na dwie części.

1.Badanie czułości półprzewodnikowych przyrządów fotoelektrycznych.

Sygnałem S przyrządu fotoelektrycznego nazywa się wartość natężenia prądu lub napięcia pojawiającego się na jego wyjściu pod wpływem padającego promieniowania. Wielkość sygnału zależy od zakresu Λ długości fal padającego promieniowania, gęstości widmowej strumienia promieniowania ϕ(λ) oraz czułości widmowej fotodetektora C(λ):

.

Gęstość widmowa strumienia promieniowania ϕ(λ) związana jest z wielkością całkowitego strumienia φ(Λ) poprzez zależność:

.

Czułość widmowa fotodetektora C(λ) jest równa wartości sygnału pojawiającego się pod wpływem jednostkowego strumienia promieniowania monochromatycznego o długości fali λ.To zjawisko pozwala wyrazić czułość widmową wzorem:

gdzie: S(Δλ)- sygnał generowany pod wpływem danego strumienia promieniowania

φ(Δλ)- strumień promieniowania padający na fotodetektor.

Względną czułość widmową C_w(λ) wyraża się wzorem:

gdzie: C_max - maksymalna czułość widmowa

C(λ) - czułość widmowa.

Do wyznaczenia czułości widmowej fotorezystora użyję poniższego układu:

Sygnał S(Δλ) wytwarzany przez fotorezystor obliczę z zależności:

gdzie: R(Δλ) - rezystancja fotorezystora oświetlonego światłem o zakresie długości fal Δλ.

R_c - rezystancja fotorezystora nieoświetlonego. Do wyznaczenia czułości widmowej fotodiody użyję układu:

Sygnał S(Δλ) wytwarzany przez fotodiodę obliczę z zależności:

gdzie: I(Δλ)- natężenie prądu wytworzonego przez fotodiodę oświetloną światłem o długości Δλ.

I_c - natężenie prądu wytworzonego przez fotodiodę nieoświetloną.

2.Wyznaczanie czasu życia nadmiarowych nośników ładunku.

Nośniki ładunku, których koncentracja odpowiada równowadze termicznej, nazywają się równowagowymi. Podczas wzbudzania półprzewodnika światłem powstają dodatkowe nośniki ładunku, zwane nośnikami nadmiarowymi. Podczas oświetlania w czasie Δt półprzewodnika światłem o niedużym natężeniu promieniowania E_e, to liczba powstałych w jednostce objętości nośników nadmiarowych (elektronów Δn i dziur Δp) będzie proporcjonalna do E_e, wyraża się ona wzorem:

gdzie: k - współczynnik pochłaniania światła

η - średnia liczba par elektron-dziura powstała przy pochłonięciu jednego kwantu światła,

h - stała Plancka

ν - częstotliwość fali światła.

Średni czas życia nośników nadmiarowych τ jest to średni czas, jaki upływa od momentu generacji nośników ładunku do ich rekombinacji.

Natężenie fotoprądu powstałego w wyniku powstania nadmiarowych nośników ładunku wyraża się zależnością:

gdzie: G - przewodność półprzewodnika

U - wartość przyłożonego napięcia.

Do wyznaczenia średniego czasu życia nośników nadmiarowych użyję układu:

Po uwzględnieniu zależności występujących w układzie natężenie fotoprądu mogę wyrazić wzorem:

gdzie: U(t) - napięcie mierzone oscylatorem

R - rezystancja opornika.

Przykładowe obliczenia :

Pomiar czułości widmowej fotorezystora:

-sygnał obliczam ze wzoru:

-ponieważ rezystancja fotorezystora nieoświetlonego była zbyt duża, aby zmierzyć ją

przy użyciu przyrządów dostępnych w laboratorium powyższy wzór redukuję do

postaci:

Otrzymujemy więc:

.

Czułość widmową obliczam ze wzoru :

Pomiar czułości widmowej fotodiody:

-sygnał obliczam ze wzoru : .

-mierzę I_c= -0,01 mA.

Otrzymuję więc:

Czułości widmowe odpowiednio wynoszą :

Otrzymane wyniki zestawiam w tabeli:

	S ()8)		CW
8	Fotorezystor	Fotodioda	Fotorezystor	Fotodioda
400	0,30*10^-6	0,00014	1,0000	1,0000
420	0,14*10^-6	0,00016	0,1326	0,3210
440	0,25*10^-6	0,00010	0,0910	0,0774
460	0,58*10^-6	0,00004	0,0475	0,0070
480	1,13*10^-6	0,00003	0,1077	0,0062
500	2,59*10^-6	0,00006	0,1524	0,0076
520	7,81*10^-6	0,00010	0,3116	0,0086
540	10,10*10^-6	0,00017	0,2810	0,0102
560	13,90*10^-6	0,00025	0,2701	0,0105
580	18,20*10^-6	0,00036	0,2626	0,0113
600	22,20*10^-6	0,00048	0,2521	0,0118
620	25,00*10^-6	0,00066	0,2294	0,0131
640	2,78*10^-6	0,00089	0,2078	0,0144
660	2,79*10^-6	0,00118	0,1662	0,0152
680	2,70*10^-6	0,00154	0,1332	0,0164
700	2,44*10^-6	0,00093	0,0993	0,0082
720	1,96*10^-6	0,00243	0,0676	0,0181
740	1,47*10^-6	0,00291	0,0436	0,0187
760	10,80*10^-6	0,00359	0,0275	0,0199
780	7,46*10^-6	0,00423	0,0165	0,0202
800	5,15*10^-6	0,00491	0,0101	0,0209
820	3,66*10^-6	0,00563	0,0064	0,0211
840	2,50*10^-6	0,00653	0,0039	0,0222
860	1,76*10^-6	0,00740	0,0025	0,0230
880	1,32*10^-6	0,00826	0,0017	0,0234
900	0,76*10^-6	0,00910	0,0009	0,0238

Wyliczone dane przedstawiam na wykresie:

3.Pomiar średniego czasu życia nośników nadmiarowych:

Obliczam korzystając ze wzoru : .

Korzystam z metody najmniejszych kwadratów, przy czym przyjmuję :

x = t

y =

a=

b=.

Po obliczeniach otrzymuję:

a= 66,284 [s^-1]

b= 1,835

r= 0,953,

Wyliczając otrzymuję:

Otrzymane wyniki przedstawiam na wykresie :

Obliczam błąd korzystając ze wzoru : ,

gdzie (n- liczba pomiarów).

Po obliczeniach otrzymuję : .

Ostatecznie: J= 0,015087"0,001083 [s].

Badam okres obrotu modulatora. Wynosi on : T = 0,156 [s].

Obliczam częstotliwość obrotów tarczy modulatora korzystając ze wzoru : f = T^-1.

F=6,41 [Hz].

Bibliografia :

^1).Praca zbiorowa:” I laboratorium z fizyki” .Wyd.PG. Gdańsk 1997

^2).R.Resnick „Fizyka” PWN Warszawa 1996

---