Sprawozdanie Fizyka 3.3
Michał Trzciński
Marcin Dobrowolski
Data wykonania ćwiczenia: 24.04.2014
Grupa nr 3
Ćwiczenie numer 5
Tytuł: Fotodioda
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk prądowo–napięciowych (I-V) fotodiody nieoświetlonej i oświetlonej.
Układ pomiarowy:
Przyrządy pomiarowe:
Multimetr BRYMEN BM857
Multimetr BRYMEN BM857A
Multimetr BRYMEN BM811
Mierzenie charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody
Fotodiody nieoświetlonej
Fotodiody oświetlonej dla natężeń prądu diody oświetlającej równych {5mA; 12mA; 19mA; 26mA; 33mA; 41,90mA}
Fotodiody oświetlonej oddalonej od diody LED w odległościach równych {10cm, 15cm, 20 cm, 25cm, 30cm} dla stałych ILED = 41, 97mA oraz Ufot = −10mV
Wzory:
Fotodioda nieoświetlona
|Ux| = |Ux| • 0, 03%+0, 0002[V] $\text{δU}_{x} = \frac{{U}_{x}}{U_{x}} \bullet 100\%\lbrack\%\rbrack$
|Ix| = |Ix| • 0, 15%+0, 01[mA] $\text{δI}_{x} = \frac{{I}_{x}}{I_{x}} \bullet 100\%\lbrack\%\rbrack$
$R_{s} = \frac{1}{a/1000}$ $V_{\text{bi}} = \frac{- b}{a}$
Fotodioda oświetlona dla natężeń prądu diody oświetlającej równych {5mA; 12mA; 19mA; 26mA; 33mA; 41,90mA}
|Ux| = |Ux| • 0, 03%+0, 0002[V] $\text{δU}_{x} = \frac{{U}_{x}}{U_{x}} \bullet 100\%\lbrack\%\rbrack$
dla I > ∼500 μA: |Ix| = |Ix| • 0, 1%+2 [μA] $\text{δI}_{x} = \frac{{I}_{x}}{I_{x}} \bullet 100\%\lbrack\%\rbrack$
dla I < ∼500 μA: |Ix| = |Ix| • 0, 15%+0, 2 [μA] $\text{δI}_{x} = \frac{{I}_{x}}{I_{x}} \bullet 100\%\lbrack\%\rbrack$
Fotodiody oświetlonej oddalonej od diody LED w odległościach równych {10cm, 15cm, 20 cm, 25cm, 30cm} dla stałych ILED = 41, 97mA oraz Ufot = −10mV
|Ix| = |Ix| • 0, 15%+0, 2 [μA] $\text{δI}_{x} = \frac{{I}_{x}}{I_{x}} \bullet 100\%\lbrack\%\rbrack$
Tabele pomiarów, wykresy i przykładowe obliczenia i wyniki
Fotodiody nieoświetlonej
Wybrane pomiary charakterystyki prądowo -napięciowej
| Lp | U[V] | ΔU[V] | δU[%] | I[mA] | ΔI[mA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -3,9873 | -0,0014 | 0,04% | -0,002 | -0,011 | 550,00% |
| 2 | 0,0001 | 0,0003 | 300,00% | 0,002 | 0,011 | 550,00% |
| 3 | 0,3042 | 0,0003 | 0,10% | 0,001 | 0,011 | 1100,00% |
| 4 | 0,3190 | 0,0003 | 0,09% | 0,003 | 0,011 | 366,67% |
| 5 | 0,6030 | 0,0004 | 0,07% | 2,179 | 0,014 | 0,64% |
| 6 | 0,7340 | 0,0005 | 0,07% | 9,654 | 0,025 | 0,26% |
| 7 | 0,7347 | 0,0005 | 0,07% | 9,725 | 0,025 | 0,26% |
| 8 | 0,9114 | 0,0005 | 0,05% | 39,019 | 0,069 | 0,18% |
| 9 | 0,9151 | 0,0005 | 0,05% | 39,798 | 0,070 | 0,18% |
| 10 | 0,9170 | 0,0005 | 0,05% | 40,194 | 0,071 | 0,18% |
Przykładowe obliczenia:
|Ux| = |Ux| • 0, 03%+0, 0002 = 0, 7347 • 0, 03%+0, 0002 = 0, 00042041 ≈ 0, 0005V
$$\text{δU}_{x} = \frac{{U}_{x}}{U_{x}} \bullet 100\% = \frac{0,0005}{0,7347} \bullet 100\% = 0,067\% \approx 0,07\%$$
|Ix| = |Ix| • 0, 15%+0, 01 = 9, 725 • 0, 15%+0, 01 = 0, 245875 ≈ 0, 025 mA
$$\text{δI}_{x} = \frac{{I}_{x}}{I_{x}} \bullet 100\% = \frac{0,025}{9,725} \bullet 100\% = 0,2570\% \approx 0,26\%$$
Wykres charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody nieoświetlonej
$$V_{\text{bi}} = \frac{- b}{a} = \frac{- ( - 158,17)}{216,19} = 0,731642 \approx 0,7316\ V$$
Aby stwierdzić, z jakiego materiału została wykonana fotodioda należy obliczyć jej przerwę energetyczną:
Eg = eVbi = 1e • 0, 7316 = 0, 7316 eV
Materiałem o najbliższej przerwie energetycznej do Eg to antymonek galu (0,726 eV), więc możemy przyjąć, że to z niego jest wykonana fotodioda.
Wykres ln(I)=f(V)
$V = V_{I_{0}} - \frac{(I_{0} - b)}{a} = 0,917 - \frac{40,194 - 10,765}{19,588} = 0,917 - 0,737 = 0,18\ V$
$$R_{s} = \frac{V}{I_{0}\lbrack A\rbrack} = \frac{0,18}{40,194/1000} = 4,4782\ \approx 4,48\Omega$$
Fotodioda oświetlona dla natężeń prądu diody oświetlającej równych {5mA; 12mA; 19mA; 26mA; 33mA; 41,90mA}
Wybrane pomiary charakterystyki prądowo -napięciowej dla ILED = 5 mA
| LP | U[V] | ΔU[V] | δU[%] | I[μA] | ΔI[μA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -0,2672 | -0,0003 | 0,11% | -129,2 | -0,4 | 0,31% |
| 2 | -0,1851 | -0,0003 | 0,16% | -129,12 | -0,4 | 0,31% |
| 3 | -0,0048 | -0,0003 | 6,25% | -128,91 | -0,4 | 0,31% |
| 4 | 0,0042 | 0,0003 | 7,14% | -128,88 | -0,4 | 0,31% |
| 5 | 0,2689 | 0,0003 | 0,11% | -124,33 | -0,39 | 0,31% |
| 6 | 0,2747 | 0,0003 | 0,11% | -123,7 | -0,39 | 0,32% |
| 7 | 0,3881 | 0,0004 | 0,10% | -73,33 | -0,31 | 0,42% |
| 8 | 0,3927 | 0,0004 | 0,10% | -68,29 | -0,31 | 0,45% |
| 9 | 0,5006 | 0,0004 | 0,08% | 176,91 | 0,47 | 0,27% |
| 10 | 0,509 | 0,0004 | 0,08% | 209,02 | 0,52 | 0,25% |
Przykładowe obliczenia:
|Ux| = |Ux| • 0, 03%+0, 0002 = 0, 00028241 ≈ 0, 0003 V
$\text{δU}_{x} = \frac{{U}_{x}}{U_{x}} \bullet 100\% = \frac{0,0003}{0,2747} \bullet 100\% = 0,10921\% \approx 0,11\%$
|Ix| = |Ix| • 0, 15%+0, 2 = 176, 91 • 0, 15%+0, 2 = 0, 465365 ≈ 0, 47 μA
$$\text{δI}_{x} = \frac{{I}_{x}}{I_{x}} \bullet 100\% = \frac{0,47}{176,91} \bullet 100\% = 0,2656\% \approx 0,27\%$$
Wybrane pomiary charakterystyki prądowo -napięciowej dla ILED = 12 mA
| LP | U[V] | ΔU[V] | δU[%] | I[μA] | ΔI[μA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -0,3012 | -0,0003 | 0,10% | -335,79 | -0,71 | 0,21% |
| 2 | -0,0623 | -0,0003 | 0,48% | -335,01 | -0,71 | 0,21% |
| 3 | 0,0481 | 0,0003 | 0,62% | -334,55 | -0,71 | 0,21% |
| 4 | 0,3252 | 0,0003 | 0,09% | -299,98 | -0,65 | 0,22% |
| 5 | 0,3328 | 0,0003 | 0,09% | -295,18 | -0,65 | 0,22% |
| 6 | 0,337 | 0,0004 | 0,12% | -291,42 | -0,64 | 0,22% |
| 7 | 0,0009 | 0,0003 | 33,33% | -334,77 | -0,71 | 0,21% |
| 8 | 0,4802 | 0,0004 | 0,08% | -0,79 | -0,21 | 26,58% |
| 9 | 0,5263 | 0,0004 | 0,08% | 196,99 | 0,50 | 0,25% |
| 10 | 0,5269 | 0,0004 | 0,08% | 201,4 | 0,51 | 0,25% |
Przykładowe obliczenia:
analogicznie w poprzednim podpunkcie.
Wybrane pomiary charakterystyki prądowo -napięciowej dla ILED = 19 mA
| LP | U[V] | ΔU[V] | δU[%] | I[μA] | ΔI[μA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -0,3 | -0,0003 | 0,10% | -538,2 | -2,6 | 0,48% |
| 2 | 0,0609 | 0,0003 | 0,49% | -535,7 | -2,6 | 0,49% |
| 3 | 0,3935 | 0,0004 | 0,10% | -376,34 | -0,77 | 0,20% |
| 4 | 0,3961 | 0,0004 | 0,10% | -371,74 | -0,76 | 0,20% |
| 5 | 0,5019 | 0,0004 | 0,08% | 3,7 | 0,21 | 5,68% |
| 6 | 0,5117 | 0,0004 | 0,08% | 49,03 | 0,28 | 0,57% |
| 7 | 0,5124 | 0,0004 | 0,08% | 55,54 | 0,29 | 0,52% |
| 8 | 0,5154 | 0,0004 | 0,08% | 68,55 | 0,31 | 0,45% |
| 9 | 0,5388 | 0,0004 | 0,07% | 194,5 | 0,5 | 0,26% |
| 10 | 0,5397 | 0,0004 | 0,07% | 199,55 | 0,5 | 0,25% |
Przykładowe obliczenia:
|Ix| = |Ix| • 0, 1%+2 = 538, 2 • 0, 1%+2 = 2, 5382 ≈ 2, 6
Reszta analogicznie jak w poprzednim podpunkcie.
Wybrane pomiary charakterystyki prądowo -napięciowej dla ILED = 26 mA
| LP | U[V] | ΔU[V] | δU[%] | I[μA] | ΔI[μA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -0,299 | -0,0003 | 0,10% | -731,4 | -2,8 | 0,38% |
| 2 | -0,2068 | -0,0003 | 0,15% | -730,3 | -2,8 | 0,38% |
| 3 | 0,156 | 0,0003 | 0,19% | -717,1 | -2,8 | 0,39% |
| 4 | 0,2754 | 0,0003 | 0,11% | -678 | -2,7 | 0,40% |
| 5 | 0,2811 | 0,0003 | 0,11% | -674,3 | -2,7 | 0,40% |
| 6 | 0,2858 | 0,0003 | 0,10% | -671,2 | -2,7 | 0,40% |
| 7 | 0,514 | 0,0004 | 0,08% | -0,56 | -0,3 | 53,57% |
| 8 | 0,5146 | 0,0004 | 0,08% | 3,64 | 0,3 | 8,24% |
| 9 | 0,548 | 0,0004 | 0,07% | 192,81 | 0,5 | 0,26% |
| 10 | 0,5489 | 0,0004 | 0,07% | 198,86 | 0,5 | 0,25% |
Przykładowe obliczenia:
Analogicznie jak w poprzednim punkcie
Wybrane pomiary charakterystyki prądowo -napięciowej dla ILED = 33 mA
| LP | U[V] | ΔU[V] | δU[%] | I[μA] | ΔI[μA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -0,0003 | 0,10% | -912,6 | -3 | 0,33% | -0,0003 |
| 2 | -0,0037 | -0,0003 | 8,11% | -906,7 | -3 | 0,33% |
| 3 | 0,0021 | 0,0003 | 14,29% | -906,4 | -3 | 0,33% |
| 4 | 0,2658 | 0,0003 | 0,11% | -840,5 | -2,9 | 0,35% |
| 5 | 0,2729 | 0,0003 | 0,11% | -835,5 | -2,9 | 0,35% |
| 6 | 0,5234 | 0,0004 | 0,08% | -3,64 | -0,21 | 5,77% |
| 7 | 0,5278 | 0,0004 | 0,08% | 24 | 0,24 | 1,00% |
| 8 | 0,5438 | 0,0004 | 0,07% | 123,51 | 0,39 | 0,32% |
| 9 | 0,5553 | 0,0004 | 0,07% | 192,87 | 0,49 | 0,25% |
| 10 | 0,5568 | 0,0004 | 0,07% | 201,86 | 0,51 | 0,25% |
Przykładowe obliczenia:
Analogicznie jak w poprzednim punkcie
Wybrane pomiary charakterystyki prądowo -napięciowej dla ILED = 33 mA
| LP | U[V] | ΔU[V] | δU[%] | I[μA] | ΔI[μA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | -0,2997 | -0,0003 | 0,10% | -1123,9 | -3,2 | 0,28% |
| 2 | -0,0857 | -0,0003 | 0,35% | -1118,2 | -3,2 | 0,29% |
| 3 | -0,0001 | -0,0003 | 300,00% | -1112,3 | -3,2 | 0,29% |
| 4 | 0,1817 | 0,0003 | 0,17% | -1076 | -3,1 | 0,29% |
| 5 | 0,1917 | 0,0003 | 0,16% | -1071,2 | -3,1 | 0,29% |
| 6 | 0,5311 | 0,0004 | 0,08% | -1,2 | -0,21 | 17,50% |
| 7 | 0,5312 | 0,0004 | 0,08% | 0,28 | 0,21 | 75,00% |
| 8 | 0,5486 | 0,0004 | 0,07% | 106,53 | 0,36 | 0,34% |
| 9 | 0,5613 | 0,0004 | 0,07% | 191,77 | 0,49 | 0,26% |
| 10 | 0,5631 | 0,0004 | 0,07% | 202,22 | 0,51 | 0,25% |
Przykładowe obliczenia:
Analogicznie jak w poprzednim punkcie.
Wykres charakterystyk prądowo-napięciowy dla funkcji ILED
Prądy zwarcia oraz napięcia rozwarcia:
dla ILED = 5 mA: ISC = − 128, 90 ± 0, 40 μA , Voc = 0, 4360 ± 0, 0004 V
dla ILED = 12 mA : ISC = −334, 78 ± 0, 71 μA , Voc = 0, 4810 ± 0, 0004 V
dla ILED = 1 9mA : ISC = −536, 4 ± 2, 6 μA , Voc = 0, 5010 ± 0, 0004 V
dla ILED = 26 mA : ISC = −728, 00 ± 2, 8 μA , Voc = 0, 5143 ± 0, 0004 V
dla ILED = 33 mA : ISC = −906, 3 ± 3, 0 μA , Voc = 0, 5242 ± 0, 0004 V
dla ILED = 41, 90 mA : ISC = −1112, 2 ± 3, 2 μA , Voc = 0, 5312 ± 0, 0004 V
Rezystancja szeregowa diody oświetlonej
δI = 100 μA
$$R_{s} = \left| \frac{1}{a/10^{6}} \right| = \left| \frac{1}{6512,8/10^{6}} \right| = 151,545\Omega$$
Fotodiody oświetlonej oddalonej od diody LED w odległościach równych {10cm, 15cm, 20 cm, 25cm, 30cm} dla stałych ILED = 41, 97mA oraz Ufot = −10mV
Tabelka pomiarowa oraz przykładowe obliczenia
| Lp | d[cm] | I[μA] | ΔI[μA] | δI[%] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 | -43,48 | -0,27 | 0,62% |
| 2 | 15 | -21,04 | -0,24 | 1,14% |
| 3 | 20 | -12,07 | -0,22 | 1,82% |
| 4 | 25 | -7,62 | -0,22 | 2,89% |
| 5 | 30 | -5,45 | -0,21 | 3,85% |
Przykładowe obliczenia:
|Ix| = |Ix| • 0, 15%+0, 2 = 21, 04 • 0, 15%+0, 2 = 0, 23156 ≈ 0, 24 μA
Wykres zależności Isc od $\frac{1}{d^{2}}$:
Wnioski
Nieoświetlona fotodioda nie zachowuje sie tak jak normalny przewodnik. Do pewnego napięcia prąd praktycznie nie płynie przez fotodiodę. Dla wyższych napięć rośnie w przybliżeniu liniowo w badanym zakresie.
Fotodioda oświetlona w funkcji ILED wraz z wzrostem ILED wartość bezwzględna Isc rośnie. Gdy fotodioda jest oświetlona wytwarza ona prąd w kierunku zaporowym, zależy on od natężenia światła padającego na fotodiodę (im większa ilość podających fotonów na fotodiodę tym większy prąd wsteczny).
Rezystancja szeregowa jest o wiele bardziej większa fotodiody oświetlonej niż fotodiody nieoświetlonej
Fotodioda oświetlona w funkcji odległości wraz z wzrostem odległości wartość bezwzględna Isc maleje. Zależność Isc od $\frac{1}{d^{2}}$ jest liniowa, czyli prawo odwrotnych kwadratów zostało zachowane.
Wyszukiwarka