POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA W KIELCACH
WYDZIAŁ ELEKTRONIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI
Laboratorium: Fizyka
Ćwiczenie nr: 3
Data wykonania: 20.12.2012r.

1. Cel ćwiczenia:

Podstawowym celem ćwiczenia jest porównanie kilku rodzajów detektorów światła. Jednym
z najistotniejszych parametrów fotodetektorów jest ich czułość i jej zależność od długości fali promieniowania.

2. Teoria:

2.1. 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.

2.2. Fotoemisja

Zjawisko fizyczne polegające na opuszczeniu materiału przez elektron pod wpływem energii przekazanej mu przez padający foton. W metalach energia elektronu wybijanego przez foton jest określona wzorem:

gdzie: W - praca wyjścia (różnica energii odpowiadającej poziomowi Fermiego oraz energii elektronu
w przestrzeni swobodnej), h- stała Plancka, v - częstotliwość fali elektromagnetycznej

2.3. Fotoprzewodnictwo

Fotoprzewodnictwo - mechanizm związany z półprzewodnikami. Aby wyjaśnić to zjawisko konieczna jest znajomość struktury poziomów energetycznych w ciałach stałych. Najniższe pasmo energetyczne, które jest zapełnione w temperaturze zera bezwzględnego (0 K) nazywane jest pasmem walencyjnym. Wyżej znajduje się pasmo przewodnictwa. Elektrony w paśmie walencyjnym są związane z atomem
i nie mogą przemieszczać się w półprzewodniku. Natomiast elektrony w paśmie przewodnictwa są
w tzw. stanie „wolnym” i mogą poruszać się w materiale półprzewodnikowym, pod wpływem przyłożonego napięcia. Między pasmami walencyjnym i przewodnictwa istnieje przerwa energetyczna, lecz różnica energii jest na tyle mała, że fotony o odpowiednio dużej energii powodują przejście elektronów z pasma walencyjnego do przewodnictwa. Następuje więc wzrost przewodnictwa materiału proporcjonalny do liczby padających na niego fotonów. Właśnie w oparciu o tą właściwość półprzewodników produkuje się fotodetektory rożnego rodzaju, między innymi: fotorezystory, fotodiody.

2.4. 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).

2.5. Pomiary światła

W pomiarach światła w zależności od przyjętych założenie, stosuje się rożne jednostki dla określenia tych samych wielkości. Ustalono jednostki fotometrii wizualnej (uwzględniające odpowiedzi ludzkiego oka na światło, czyli zależne od długości fali) oraz jednostki fotometrii energetycznej (które są miarą bez

względnej jaskrawości i wyrażają ilość energii emitowanej przez źródło w jednostce czasu, niezależnie od długości fali). Podstawowe wielkości określane przy pomiarach światła to:

a) Strumień świetlny jest to ilość światła przechodzącego przez określoną powierzchnię w danym czasie. Wartość ta może być opisywana w kategoriach ilości energii, w postaci fotonów przechodzących przez określoną powierzchnię w danym czasie. W fotometrii fizycznej energetyczny strumień świetlny (moc światła jest wyrażany w watach (dżul/s). Zaś w fotometrii wizualnej jednostką strumienia świetlnego jest lumen (lm). Lumen jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1 steradiana przez punktowe źródło światła o światłości 1 kandeli: 1 lm= 1 cd・sr.

b) Natężenie oświetlenia - ilość światła odbieranego przez obszar o określonej powierzchni (jest to ilość światła padającego na powierzchnię a nie odbijanego bądź emitowanego przez określony obszar).
W kategoriach fotometrii wizualnej natężenie oświetlenia jest wyrażane w luksach (lx). 1 luks to natężenie oświetlenia wytworzone przez strumień 1 lm na powierzchni , 1 lx = 1 lm・m^-2.
W fotometrii fizycznej jednostką energetycznego natężenia oświetlenia jest W・m^-2.

c) Natężenie źródła światła (światłość) - strumień świetlny emitowany w określonym kącie bryłowym. Charakterystyczne jest to że natężenie będzie jednakowe niezależnie od odległości od źródła. Natężenie źródła światła jest mierzone w kandelach (1 cd = lumen /steradian). Kandela (cd) jest definiowana jako natężenie źródła światła, jakie daje w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4 * 1014 Hz i o światłości energetycznej w tym kierunku równej 1/683 [W/sr]. W fotometrii fizycznej natężenie źródła światła (światłość energetyczna) jest wyrażana
w watach na steradian.

d) Luminancja (jaskrawość)-wielkość określająca emisję strumienia świetlnego z jednostkowej powierzchni. W fotometrii wizualnej, a jednostką luminancji jest cd・m^-2. W fotometrii fizycznej występuje luminancja energetyczna, którą wyraża się w W・sr^-1 ・m^-2.

2.6. Charakterystyka wybranych fotodetektorów

a) Fototranzystor

Fototranzystory - to tranzystory bipolarne (najczęściej typu n-p-n), w których obudowie wykonano okno umożliwiające oświetlenie obszaru bazy tranzystora. Fototranzystor polaryzujemy tak jak zwykły tranzystor tj. złącze baza emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza kolektor
w kierunku zaporowym. Powszechnie fototranzystory wykonywane są jako elementy o dwóch wyprowadzeniach tj. wyprowadzone są kontakty emitera i kolektora, baza zazwyczaj pozostaje nie wyprowadzona na zewnątrz. Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy, związany z termiczną generacją nośników, jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza p-n na granicy obszarów bazy i kolektora.

b) Fotorezystor

Jest to element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczułą) fotorezystora stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z elektrodami metalowymi doprowadzającymi prąd ze źródła zewnętrznego. Całość umieszcza się w obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. Strumień światła o odpowiedniej długości fali wywołuje generację par elektron dziura, ta dodatkowa liczba elektronów i dziur zwiększa konduktywność półprzewodnika, co w rezultacie powoduje zmniejszenie rezystancji fotorezystora.

c) Fotoogniwo

Jest to element o stosunkowo dużej powierzchni oświetlonej. Złącze p-n znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie (na głębokości rzędu 1μm) oświetlanej powierzchni. 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 rożnych rodzajów w rożne 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. Polaryzacja zaporowa złącza odpowiada pracy fotodiody, polaryzacja w kierunku przewodzenia – pracy fotoogniwa.

d) Fotodioda

Fotodiody - półprzewodnikowe elementy fotoelektryczne z warstwą zaporową, są to najogólniej biorąc, złącza p-n, w których zakłócenia koncentracji nośników mniejszościowych dokonuje się za pomocą energii fotonów docierających do złącza przez odpowiednie okienko wykonane w obudowie fotodiody. Złącza p-n fotodiod są wykonywane z rożnych materiałów półprzewodnikowych, najczęściej stosuje się german (Ge), krzem (Si), arsenek galu (GaAs) i tellurek kadmu (CdTe). W obszarze warstwy zaporowej złącza p-n zachodzą wskutek oświetlenia dwa zjawiska: powstaje siła elektromotoryczna (zjawisko fotowoltaiczne) oraz rośnie proporcjonalnie do padającego strumienia fotonów prąd płynący przez złącze p-n w przypadku gdy złącze spolaryzowane jest w kierunku zaporowym (fotodioda).

e) Transoptor

Transoptor - stanowi izolowaną elektrycznie parę: źródło promieniowania – fotodetektor, sprzężoną optycznie i umieszczoną we wspólnej obudowie. W transoptorach jako źródło promieniowania stosuje się diody elektroluminescencyjne, natomiast jako fotodetektory wykorzystuje się krzemowe fotodiody, fototranzystory, fototyrystory, fotodarlingtony oraz specjalne struktury, takie jak: foto-FET, fotodiak, fototriak. Transoptor przenosi sygnały zarówno stałoprądowe, jak i zmiennoprądowe (analogowe
i cyfrowe), przy czym pasmo przenoszenia zależy przede wszystkim od rodzaju użytych elementów. Transoptory stosuje się w aparaturze pomiarowej i medycznej, w układach automatyki przemysłowej, głownie w celu eliminacji zakłóceń wprowadzanych przez układy współpracujące ze sobą, bądź do sprzęgania układów o rożnych potencjałach, a także w charakterze wyłączników optoelektronicznych.

3. Przebieg Ćwiczenia:

Rys.1. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego do badania charakterystyk fotodetektorów

Rys.2. Blok do wyznaczania charakterystyki widmowej

gdzie:

9 - potencjometr regulujący potencjał na części diody RGB odpowiadającej za kolor czerwony;

10 - potencjometr regulujący potencjał na części diody RGB odpowiadającej za kolor zielony;

11 - potencjometr regulujący potencjał na części diody RGB odpowiadającej za kolor niebieski;

12 - dioda RGB sygnalizująca aktualną barwę;

13 - pasek z widmem barw

Wygląd zewnętrzny modułów z fotodetektorami użytych przez nas w ćwiczeniu:

Rys. 3 Schemat Fototranzystora Rys. 4. Schemat Fotoogniwa

Rys. 5. Schemat Fotodiody Rys. 6. Schemat Fotorezystora

Przebieg pomiarów:

a) Po zajęciu stanowiska pracy i zapoznaniu się z urządzeniami mogliśmy przystąpić do pomiarów.

b) Po włączeniu naszego stanowiska pomiarowego (włączenie woltomierzy) podłączaliśmy odpowiednie fotodetektory (fotoogniwo, fototranzystor, fotodioda, fotorezystor).

c) Następnie potencjometrami ustawialiśmy odpowiednie napięcia na poszczególnych diodach RGB w celu uzyskania barwy o odpowiedniej długości fali.

d) Wynik napięcia na fotodetektorze zapisywaliśmy do tabeli charakterystyki zamieszczonej poniżej.

e) Po tym sporządzaliśmy charakterystykę widmową dla fotodetektorów użytych w ćwiczeniu

Badanie przeprowadzaliśmy na stałej wartości V_z=1mV.

Skala światłości

Lp.	R	G	B	Długość fali
	-	-	-	-
1.	1	2	7	400
2.	1	3	9	425
3.	1	4,5	9,5	450
4.	1,3	6,5	9	475
5.	1,9	8,5	7	500
6.	3	9,5	5	525
7.	4,5	9	3	550
8.	6,5	7,5	2	575
9.	8,5	5,5	1,5	600
10.	9,5	3,5	1,1	625
11.	9	2,2	1	650
12.	7,5	1,5	1	670

Charakterystyka diody RGB

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

Charakterystyka UW/UWmax = f(λ) dla każdego z fotodetektorów.

4. Wnioski

W tym ćwiczeniu została przeze mnie zbadana charakterystyka widmowa fotodetektorów, a także pokazałem na wykresie zależność fotodetektora od barwy światła. Można zaobserwować także zależność fotodetektorów od długości fali promieniowania.

Każdy z opisanych przeze mnie fotodetektorów osiąga różne napięcia dla tych samych długości fali. Charakterystyka widmowa każdego fotodetektora zmienia się pod wpływem wydłużenia fali i zmiany napięcia. Najdłuższą długość fali zanotowałem dla fotoogniwa, a najkrótszą dla fotodiody.