POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach
Laboratorium Fizyki	Nr ćwiczenia: 3	Grupa 115B Zespół: 1. Paweł Stramowski 2. Jakub Sławiński 3. Tomasz Kotwica
Temat ćwiczenia: Wyznaczenie charakterystyki widmowej fotodetektorów
		Data wykonania: 26.11.2009r.	Data oddania: 2.12.2009r.	Ocena: ..........

Wstęp teoretyczny

1. Fotoemisja

(foto- + emisja - łc. emissio `wysłanie') fiz. zjawisko emitowania elektronów przez ciała stałe w wyniku działanie na nie światłem, którego energia jest wyższa niż energia potrzebna do wzbudzenia (jonizacji) danego ciała. W materiałach energia elektronu wybijanego przez foton jest określona wzorem:

E = h v - W

W - praca wyjścia , h - stała Plancka , v - częstotliwość fali elektromagnetycznej

2. Fotoprzewodnictwo

Jest to zmiana przewodnictwa elektrycznego materiału pod wpływem promieniowania świetlnego. Ma ono miejsce gdy energia fotonów promieniowania świetlnego padającego na półprzewodnik jest większa niż szerokość pasma zabronionego następuje przechodzenie elektronów do pasma przewodnictwa i zwiększenie się konduktywności półprzewodnika. Największa długość fali promieniowania wywołującego efekt fotoprzewodnictwa nazywa się długość progową fali i jest zależna od szerokości pasma zabronionego półprzewodnika.

3. Absorpcja termiczna

Zachodzi w przypadku, gdy fotony o długościach fali leżących w dalekiej podczerwieni pochłaniane w materii wzbudzają stany oscylacyjne i rotacyjne w cząsteczkach lub siatce krystalicznej, w których zostały pochłonięte. Zgodnie z prawem zachowania energii absorpcja fotonu w materiale wywołuje wzrost temperatury (w efekcie może to spowodować zmiany właściwości fizycznych materiału). Poprzez analizę tych zmian można stwierdzić, ile światła padło na detektor. Za absorpcję promieniowania w półprzewodniku są odpowiedzialne dwa mechanizmy. Jeden z nich związany jest z absorpcją fotonów na swobodnych nośnikach ładunku, natomiast drugi z absorpcją międzypasmową w półprzewodniku (tzw. Absorpcja podstawowa).

Pasmo absorpcji związane z przejściem międzypasmowym jest ograniczone od strony długofalowej przez tzw. główną krawędź absorpcji. Energia fotonów, odpowiadająca głównej krawędzi absorpcji, wystarcza do przeniesienia elektronu z wierzchołka pasma walencyjnego do dna pasma przewodnictwa, tzn. hv = Eg, (Eg -szerokość przerwy wzbronionej). Jeżeli temperatura półprzewodnika lub izolatora jest wyższa, to zwykle absorpcja międzypasmowa zachodzi z udziałem fononu, który dostarcza lub zabiera pewną wartość energii (przyspełnieniu zasady zachowania energii). Możliwa jest również absorpcja do stanów leżących poniżej przerwy energetycznej w półprzewodniku lub izolatorze. Stany wzbudzone, leżące poniżej przerwy energetycznej, nie prowadzą do bezpośredniej generacji ładunku. Działanie termopary, bolometru oraz detektorów piroelektrycznych jest oparte na absorpcji termicznej.

Wstęp teoretyczny, ogólna charakterystyka, zasada działania fotodetektorów wykorzystanych w trakcie ćwiczenia laboratoryjnego.

1. Fotorezystor

(fotoopornik, fotoelement oporowy, opornik fotoelektryczny) jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora.

Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia.

2.Fotodioda

Fotodiody wykonane są jako elementy złącze p-n lub p-i-n, z warstwą zaporową. W fotodiodach kwanty energii promienistej, powodując jonizację atomów złącza p-n, zwiększają liczbę par elektron-dziura. Elektrony swobodne są przyciągane przez dodatni ładunek przestrzenny na granicy obszaru typu n, dziury zaś wędrują do obszaru typu p. Prąd przewodzenia złącza p-n zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia świetlnego. Zewnętrzna bateria zasilająca wytwarza w złączu polaryzację zaporową.

3.Fotoogniwo

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n, na które pada światło. Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe, o dużej niezawodności źródła energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, sztucznych satelitach, samochodach z napędem hybrydowym, a także w automatyce jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne.

4.Fototranzystor

Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiter-baza. Wykorzystuje się tu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa.

Przebieg ćwiczenia

1. Przygotowanie Stanowiska do pracy (włączenie urządzeń pomiarowych, podłączenie urządzeń, podłączanie fotodetektorów do pomiarów).

2. Zapoznanie się i ustawienie odpowiednich wartości na przyrządach pomiarowych:

-Fotoogniwo, Fotorezystor, Fototranzystor, Fotodioda

3. Odczyt pomiarów napięcia

Lp	R	G	B	UR	UG	UB	Fotoogniwo	KFo	Fotorezystor	KFr	Fototranzystor	KFt	Fotodioda	KFd
	-	-	-	V	V	V	mV	-	mV	-	mV	-	mV	-
1	1	2	7	2,56	3,63	4,88	795	1	025	1	203	1	002	1
2	1	3	9	2,56	3,94	5,48	790	1	029	1	210	1	003	1
3	1	4,5	9,5	2,56	4,40	5,63	877	1	032	1	221	1	003	1
4	1,3	6,5	9	2,61	5,02	5,48	859	1	035	1	280	1	003	1
5	1,9	8,5	7	2,72	5,64	4,88	791	1	036	1	287	1	003	1
6	3	9,5	5	2,93	5,95	4,29	716	1	039	1	257	1	004	1
7	4,5	9	3	3,21	5,8	3,69	787	1	037	1	196	1	003	1
8	6,5	7,5	2	3,59	5,33	3,39	708	1	032	1	139	1	002	1
9	8,5	5,5	1,5	3,97	4,71	3,24	627	1	024	1	083	1	001	1
10	9,5	3,5	1,1	4,15	4,09	3,12	454	1	012	1	037	1	0	1
11	9	2,2	1	4,06	3,69	3,09	185	1	006	1	016	1	0	1
12	7,5	1,5	1	3,78	3,47	3,09	250	1	004	1	013	1	0	1

Wnioski

Pomiary zostały przeprowadzone na 2 stanowisku pomiarowym. Doświadczenie miało na celu zbadanie charakterystyki fotodetektorów podanych w ćwiczeniu. Z wykresu można zauważyć, że fotodetektory różnią się swoimi parametrami takimi jak np. długością fali, skalą światłości, barwą wydawanego światła. Po zmianie światłości na większą napięcie rośnie aż osiągnie swoje maksimum a potem maleje do minimum. Po zastosowaniu innego materiału półprzewodnika zmienia się charakterystyka widmowa fotodetektorów. Najdłuższą długość fali zanotowaliśmy dla fotoogniwa a najkrótszą dla fotodiody.

---