FoTODIODA

1. Wstęp Teoretyczny

Fotodioda jest urządzeniem półprzewodnikowym, w którym zachodzi proces zamiany energii świetlnej fotonów padających na fotodiodę w energię elektryczną. Fotodiody mogą być realizowane na różnych strukturach półprzewodnikowych. Podstawą działania fotodiody jest efekt fotowoltaiczny.

Załóżmy, że dioda półprzewodnikowa jest oświetlana przez promieniowanie elektromagnetyczne o energii większej od przerwy wzbronionej E_g. Gdy promieniowanie to jest absorbowane w obszarze ładunku przestrzennego złącza i (lub) w materiale przylegającym do tego obszaru po obu stronach złącza, powstające pary elektron - dziura są separowane przez pole elektryczne złącza. Szczególne znaczenie mają nośniki mniejszościowe. Nośniki te poruszają się w kierunku złącza i powodują wzrost prądu wstecznego, jeśli obwód zewnętrzny złącza jest zwarty. Jeśli złącze jest rozwarte, to na jego krańcach pojawia się różnica potencjałów. I to jest właśnie efekt fotowoltaiczny: po oświetleniu złącza można uzyskać źródło prądu lub napięcia, czyli źródło energii elektrycznej. Natomiast koncentracja nośników większościowych praktycznie nie ulega zmianie wskutek absorpcji światła, gdyż ilość nośników generowanych światłem jest o kilka rzędów mniejsza od koncentracji równowagowej tych nośników.

Aby powstało zjawisko fotowoltaiczne muszą być spełnione następujące warunki.

1. Pod wpływem promieniowania muszą być generowane w półprzewodniku nadmiarowe nośniki ładunku dodatniego i ujemnego;

2. Nośniki nadmiarowe o różnych znakach muszą być rozdzielone przez pewną elektrostatyczną niejednorodność. Rozdzielanie ładunku w fotodiodzie może nastąpić, gdy wytworzy się elektrostatyczną różnicę potencjałów np. taką jaka istnieje w złączu p-n, na kontakcie metal - półprzewodnik czy na heterozłączu półprzewodnikowym.

3. Generowany swobodny nośnik musi zachować swoją ruchliwość dostatecznie długo tak, aby zdążył dotrzeć do niejednorodności powodującej rozdzielenie ładunku.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych (I-V) fotodiody nieoświetlonej i oświetlonej oraz sprawdzenie prawa odwrotnych kwadratów. Na rys. 1 przedstawiono układ do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych fotodiody.

Rys.1.Układ do pomiaru charakterystyk I-V fotodiody

3. Wyniki Pomiarów

1. Wzory i jednostki

2. Tabele pomiarowe

Dioda nieoświetlona		ID=0,03575 A		ID=0,03000 A		ID=0,02400 A
U [V]	I [A]	U [V]	I [A]	U [V]	I [A]	U [V]	I [A]
-4,0015	-0,000001	-0,10136	-0,00002988	-0,10001	-0,00002423	-0,10128	-0,00001896
-4,0015	-0,000002	-0,09960	-0,00002988	-0,09822	-0,00002423	-0,09712	-0,00001896
-4,0015	-0,000003	-0,09807	-0,00002988	-0,09634	-0,00002423	-0,09400	-0,00001895
-3,9972	-0,000002	-0,09399	-0,00002988	-0,09411	-0,00002423	-0,09252	-0,00001896
-3,9849	-0,000002	-0,09070	-0,00002986	-0,09030	-0,00002424	-0,09115	-0,00001895
0,7748	0,019856	0,39782	0,00001859	0,39210	0,00001728	0,38704	0,00001777
0,7755	0,020004	0,39848	0,00001929	0,39283	0,00001796	0,38800	0,00001842
0,7760	0,020132	0,39854	0,00001935	0,39283	0,00001798	0,38856	0,00001903
0,7764	0,020162	0,39924	0,00002011	0,39358	0,00001898	0,38856	0,00001917

ID=0,01800 A		ID=0,01200 A		ID=0,00800 A
U [V]	I [A]	U [V]	I [A]	U [V]	I [A]
-0,10062	-0,00001369	-0,10121	-0,00000846	-0,10144	-0,00000344
-0,09907	-0,00001369	-0,09847	-0,00000845	-0,09894	-0,00000344
-0,09665	-0,00001368	-0,09727	-0,00000845	-0,09609	-0,00000344
-0,09466	-0,00001368	-0,09578	-0,00000845	-0,09196	-0,00000344
-0,08896	-0,00001368	-0,09429	-0,00000845	-0,08927	-0,00000345
0,37959	0,00001695	0,37587	0,00001938	0,36564	0,00001799
0,38177	0,00001853	0,37587	0,00001938	0,36809	0,00001942
0,38274	0,00001933	0,37665	0,00001991	0,36893	0,00001987
0,38387	0,00002018	0,37741	0,00002046	0,37055	0,00002084

Iz [A]	Odległość[m]
-0,00000769	0,10
-0,00000334	0,15
-0,00000185	0,20
-0,00000119	0,25
-0,00000081	0,35

3. Przykładowe obliczenia

Zad. 1
















Zad. 2




Zad. 3

ID	35,75 mA	32 mA	24 mA	18 mA	12 mA	6 mA
IZ	-2,980E-5 A	-2,418E-5 A	-1,891E-5 A	-1,365E-5 A	-8,420E-6 A	-3,440E-6 A
UR	0,37656 V	0,36890 V	0,36017 V	0,34678 V	0,32950 V	0,30016 V

Zad. 4

a)





























b)











Po uwzględnieniu jednostki


Kwadrat odwrotności odległości	Błąd	Fotoprąd	Błąd
100,0000	20,00000	-0,00000769	0,000020002
44,4444	5,92593	-0,00000334	0,000020001
25,0000	2,50000	-0,00000185	0,000020001
16,0000	1,28000	-0,00000119	0,000020000
11,1111	0,74074	-0,00000081	0,000020000

4. Wnioski

Fotodioda podczas oświetlenia generuje prąd wsteczny zwany prądem zwarcia. Widać dokładnie że prąd ten zależy od natężenia oświetlenia. Im większe natężenie oświetlenia tym prąd zwarcia jest większy, jest on ujemny. Według naszych obliczeń fotodioda posiada przerwę wzbronioną równą
co odpowiada przerwie wzbronionej germanu. Napięcie rozwarcia czyli napięcie generowane przez fotodiodę użytą jako bateria (źródło prądu) również zależy od natężenia oświetlenia i maleje wraz z jego spadkiem. Byliśmy w stanie policzyć oporność szeregową na dwa sposoby z wykresu diody nieoświetlonej przy odpowiedniej aproksymacji części liniowej logarytmu oraz z wykresów diody oświetlonej. Oba wyniki wyszły nam zbliżone rzędu 5,7 Ω co jest oporem stosunkowo niewielkim.

Dodatkowo możemy sprawdzić, że poprawne jest założenie prawa odwrotnych kwadratów, gdyż wraz ze wzrostem odwrotności kwadratu odległości źródła światła od fotodiody prąd płynący przez fotodiodę rośnie (na wykresie po stronie ujemnej - prąd płynie w przeciwnym kierunku) w sposób najprawdopodobniej liniowy gdyż kwadraty odwrotności odległości mają stosunkowo duże błędy.

---