POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA WYDZIAŁ ELEKTRONIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI
LABORATORIUM: FIZYKA
Ćwiczenie nr: 3	Temat ćwiczenia: Badanie charakterystyki widmowej fotodetektorów
Data ćwiczenia: 6.12.2012 r.	Data oddania sprawozdania: 4.1.2012 r.	Ocena:

1. Wstęp teoretyczny

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.

1.1 Zjawiska wykorzystywane w fotodetektorach

• 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:

E = hv - W

• 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.

• Absorpcja termiczna - zjawisko to 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).

1.2 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 bezwzględnej jaskrawości i wyrażają ilość

energii emitowanej przez źródło w jednostce czasu, niezależnie od długości fali). Podstawowe

wielkości określane przy pomiarach światła to:

• Strumień świetlny - 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).

• 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).

• 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).

• Jaskrawość - wielkość określająca emisję strumienia świetlnego

z jednostkowej powierzchni. W fotometrii wizualnej, a jednostką luminancji jest Cd*m-2.

1.3 Charakterystyka wybranych detektorów

• 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.

• Fotorezystor - 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.

• Fototranzystor - to tranzystor bipolarny (najczęściej typu n-p-n), w którego 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.

• Fotodioda - 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).

• 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.

2. Opis i cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest porównanie czterech rodzajów fotodetektorów i wyznaczenie ich charakterystyk widmowych.

Wyznaczanie charakterystyki widmowej polega na pokazaniu zależności fotodetektora od barwy źródła światła. Barwę tą ustala się poprzez odpowiedni stosunek napięć podanych na diodę RGB

W ćwiczeniu zostały wykorzystane następujące fotodetektory:

3. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie rozpoczęliśmy od wyznaczenia charakterystyki czułości fotoogniwa w funkcji długości fali. Ustawialiśmy wartości napięcia dla poszczególnych kolorów diody, V_Z miało stałą wartość równą 1mV. Po odczytaniu napięć uzyskanych na fotodetektorach dla wszystkich długości fali i umieszczeniu ich w tabeli przeliczyliśmy współczynnik K, który jest stosunkiem napięcia do napięcia maksymalnego. Mając to mogliśmy już wykonać charakterystyki widmowe wszystkich czterech badanych fotodetektorów: fotoogniwa, fotorezystora, fototranzystora oraz fotodiody.

Tabela zawierająca skalę światłości:

Lp	R	G	B
1	1	2	7
2	1	3	9
3	1	4.5	9,5
4	1.3	6.5	9
5	1.9	8.5	7
6	3	9.5	5
7	4.5	9	3
8	6.5	7.5	2
9	8.5	5.5	1.5
10	9.5	3.5	1.1
11	9	2.2	1
12	7.5	1.5	1

Charakterystyka diody RGB:

Lp	R	G	B	UR	UG	UB	Fotoogniwo	KFo	Fotorezystor	KFr	Fototranzystor	KFt	Fotodioda	KFd
		-	-	-	V	V	V	V	-	V	--	V	-	mV	-
1	1	2	7	2.31	3.05	5.29	0.874	0,7797	0.0050	0,2451	0.0629	0,7756	2.2	0,5000
2	1	3	9	2.31	3.22	5.93	0.923	0,8234	0.0054	0,2647	0.0748	0,9223	2.2	0,5000
3	1	4.5	9.5	2.31	3.42	6.08	1.021	0,9108	0.0083	0,4069	0.0786	0,9690	2.6	0,5909
4	1.3	6.5	9	2.48	3.72	5.93	1.030	0,9188	0.0119	0,5833	0.0799	0,9852	3.3	0,7500
5	1.9	8.5	7	2.56	4.02	5.29	1.040	0,9277	0.0140	0,6863	0.0810	0,9988	4.0	0,9091
6	3	9.5	5	2.7	4.16	4.69	1.085	0,9679	0.0162	0,7941	0.0811	1,0000	4.4	1,0000
7	4.5	9	3	2.9	4.09	4.07	1.087	0,9697	0.0176	0,8627	0.0806	0,9938	4.4	1,0000
8	6.5	7.5	2	3.17	3.87	3.76	1.090	0,9723	0.0188	0,9216	0.0804	0,9914	4.3	0,9773
9	8.5	5.5	1.5	3.44	3.58	3.6	1.103	0,9839	0.0204	1,0000	0.0803	0,9901	4.2	0,9545
10	9.5	3.5	1.1	3.57	3.27	3.48	1.121	1,0000	0.0204	1,0000	0.0802	0,9889	4.0	0,9091
11	9	2.2	1	3.5	3.08	3.14	1.077	0,9607	0.0185	0,9069	0.0802	0,9877	3.6	0,8182
12	7.5	1.5	1	3.3	2.98	3.14	1.010	0,9010	0.0143	0,7010	0.0783	0,9655	3.5	0,7955

4. Wnioski

Obserwując sporządzone charakterystyki widmowe fotodetektorów zauważalny jest wspólny dla nich ciągły wzrost wartości napięcia wraz ze wzrostem długości fali światła, aż do osiągnięcia maksymalnego jego wartości. Po jej uzyskaniu następuje ciągły spadek napięcia. Zauważalne są różnice w tempie wzrostu, najgwałtowniej rosną wartości fotodiody, nieco wolniej fotorezystora. Najwolniej zaś rosną wartości fotoogniwa, minimalnie szybciej fototranzystora. Najwyższe wartości napięcia kolejne fotodetektory uzyskują dla następujących długości fali światła: fotoogniwo - 625, fotorezystor - 600, fototranzystor - 525, fotodioda - 525. Zatem maksymalne wartości są przyjmowane dla różnych fotodetektorów dla różnych długości fali. Dla wszystkich badanych fotodetektorów najniższe wartości napięcia przyjmowane są dla długości fali równej 400. Dla poszczególnych fotodetektorów różna jest także różnica pomiędzy wartością minimalną oraz maksymalna napięcia. Największy wpływ długości fali na wartości napięcia fotodetektora zaobserwować można w fotorezystorze, najmniejsze widać natomiast w przypadku fotoogniwa i fototranzystora.

1/6

---