POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA W KIELCACH
WYDZIAŁ ELEKTRONIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI
Laboratorium: Fizyka
Ćwiczenie nr: 3
Data wykonania: 21.12.2012r.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk widmowych fotodetektorów rożnego typu.

Teoria

Fotodetektor - każde urządzenie mogące wytwarzać lub modyfikować sygnał elektryczny proporcjonalnie do ilości światła padającego na obszar czynny tego urządzenia. Fotodetektory różnego typu buduje się w oparciu o trzy podstawowe zjawiska: fotoemisję, fotoprzewodnictwo i absorpcję termiczną.

1. Fotoemisja - (foto- + emisja – łc. emissio ‘wysłanie’) fiz. zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne. Polega ono na uwolnieniu elektronu z oświetlanego materiału do przestrzeni swobodnej pod wpływem energii padającego fotonu. Aby zaobserwować to zjawisko, energia przekazana przez foton musi być przynajmniej równa pracy wyjścia. Praca wyjścia jest to najmniejsza ilość energii potrzebna do uwolnienia elektronu. Elektron pod wpływem tej energii przechodzi z pasma walencyjnego przez przerwę energetyczną do pasma przewodnictwa, a następnie z pasma przewodnictwa do przestrzeni swobodnej. Energię elektronu liczymy ze wzoru:

E = hv - W

E - energia elektronu,

h - stała Plancka,

v - częstotliwość fali elektromagnetycznej,

W - praca wyjścia.

Zjawisko fotoemisji z metalu

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 (przy spełnieniu 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.

Charakterystyka wybranych fotodetektorów

1. Fotorezystor

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 (podłączenie układu pomiarowego)

2. Włączenie stanowiska

3. Badanie odpowiednich fotodetektorów (podłączenie fotodetektora, zmiana potencjałów diody RGB)

4. Odczyt i naniesienie wyników do tabeli:

Lp	UR	UG	UB	Foto-ogniwo	KFo	Foto-rezystor	KFr	Foto-tranzystor	KFt	Foto-dioda	KFd
	V	V	V	-mV	-	mV	-	mV	-	mV	-
1	2,31	3,05	5,29	2,56	1,36	0,18	0,84	0,05	0,74	0,8	1,27
2	2,31	3,22	5,93	2,58	1,36	0,13	0,81	0,04	0,73	0,79	1,27
3	2,31	3,42	6,08	2,63	1,36	0,13	0,81	0,06	0,75	0,79	1,29
4	2,48	3,72	5,93	2,63	1,36	0,08	0,77	0,04	0,73	0,8	1,27
5	2,56	4,02	5,29	2,59	1,36	0,08	0,78	0,06	0,74	0,8	1,27
6	2,7	4,16	4,69	2,47	1,36	0,08	0,77	0,06	0,74	0,81	1,28
7	2,9	4,09	4,07	2,02	1,36	0,10	0,79	0,07	0,75	0,85	1,31
8	3,17	3,87	3,76	1,64	1,36	0,10	0,78	0,08	0,75	0,87	1,32
9	3,44	3,58	3,6	1,36	1,36	0,10	0,79	0,08	0,76	0,85	1,32
10	3,57	3,27	3,48	1,17	1,36	0,11	0,79	0,09	0,76	0,87	1,32
11	3,5	3,08	3,14	0,89	1,36	0,16	0,82	0,10	0,78	0,89	1,34
12	3,3	2,98	3,14	0,82	1,36	0,21	0,86	0,11	0,78	0,89	1,34

Wnioski

Na laboratoriach przeprowadzaliśmy pomiary dla czterech fotodetektorów: fotoogniwa, fotodiody, fotorezystora i fototranzystora. Wyniki otrzymane przez nas różnią się od prawidłowych z powodu błędów pomiarowych, jednak można zauważyć że wszystkie fotodetektory zwiększają swą wartość proporcjonalnie do użytego światła. Charakterystyki widmowe fotodetektorów wzrastają w różny sposób względem siebie jak również osiągają swoje największe wartości w różnych punktach. Jako najbardziej „wrażliwe” na padające światło uznaliśmy Fotoogniwa, natomiast za najmniej „wrażliwe” foto-tranzystory.