BADANIE ELEMENTÓW OPTOELEKTRONICZNYCH

ŁAPY 2000

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, działania i właściwości elementów

optoelektronicznych półprzewodnikowych oraz zaznajomienie się z niektórymi

metodami ich badania.

W wielu dziedzinach techniki zachodzi potrzeba rejestracji, wykrywania i

pomiaru natężenia promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal,

w tym i promieniowania widzialnego, bez udziału człowieka. Stosuje się wtedy

czujniki promieniowania. Czujniki przystosowane do pracy w zakresie widzialnym

widma promieniowania elektromagnetycznego nazywają się fotoelementami.

Fotoelementy (elementy optoelektroniczne) mogą być lampowe i półprzewodnikowe.

W fotoelementach lampowych (fotokomórka, fotopowielacz) wykorzystuje się

zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne, natomiast w półprzewodnikowych-wewnętrzne

zjawisko fotoelektryczne.

W fotooptyce zachodzi potrzeba pomiaru różnych wielkości świetlnych, które

w danym układzie fotometrycznym są ze sobą ściśle powiązane i przy nie zmienionej

geometrii układu fotometrycznego są liniowo od siebie zależne. Podstawowymi

wielkościami fotometrycznymi subiektywnymi są: strumień świetlny f

v

, natężenie

oświetlenia E

v

, światłość I

v

, luminancja L

v

.

W niniejszym ćwiczeniu pomiary będą obejmowały wyznaczania

charakterystyk prądowo-napięciowych i oświetleniowych wszystkich wymienionych

elementów optoelektronicznych półprzewodnikowych, tj.: fotorezystora, fotodiody,

fototranzystora i fotoogniwa.

Wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych elementów

optoelektronicznych będziemy wykonywać w zależności od wartości napięcia U

z1

zasilającego diodę LED, będącej źródłem światła, a nie względem wartości natężenia

oświetlenia E

v

. Wynika z tego, że charakterystyki prądowo-napięciowe będą

przedstawiały zależność wartości prądu I

F

od wartości napięcia U

F

przy stałej wartości

napięcia U

z1

, czyli:

I

F

= f(U

F

) \ U

z1

= const

1

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Podobnie zresztą wyznaczanie charakterystyk 2oświetleniowych elementów

optoelektronicznych będziemy wykonywać w zależności od wartości napięcia U

z1

zasilającego diodę LED. Charakterystyki te będą przedstawiały zależność wartości

prądu I

F

od wartości napięcia U

z1

zasilającego diodę LED, przy stałej wartości

napięcia zasilania U

z2

, czyli:

I

F

= (U

z1

) \ U

z2

= const

2. Wiadomości wstępne

Optoelektronika

-jest dziedziną elektroniki obejmującą zagadnienia

wytwarzania; przesyłania i odbioru promieniowania optycznego, jak również jego

przekształcenia w sygnały elektryczne. Optoelektronika jest związana z. rozwojem

badań nad materiałami półprzewodnikowymi.

Półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym nazywa się taki element,

który wykrywa, emituje lub wykorzystuje do swojego działania promieniowanie

elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, nadfioletowym i podczerwonym.

Na przyrządach optoelektronicznych obecnie jest oparta telewizja, fotometria oraz

wiele urządzeń sygnalizacyjnych i odczytujących. Półprzewodnikowe przyrządy

optoelektroniczne obejmują grupę półprzewodnikowych przyrządów dyskretnych oraz

układów scalonych, których działanie opiera się na wykorzystaniu zjawisk występujących

w półprzewodnikach w wyniku wzajemnego oddziaływania fotonów i elektronów.

Fotogniwo Fotorezystor Fototranzystor Fotodioda

Rys. 2.1.

Symbole graficzne wybranych elementów optoelektronicznych

2

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Wszystkie półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne można zgrupować

następująco:

• półprzewodnikowe źródła promieniowania (fotonadajniki), zwane inaczej

półprzewodnikowymi fotoemiterami lub krótko fotoemiterami;

• półprzewodnikowe detektory promieniowania (fotoodbiorniki), zwane inaczej

półprzewodnikowymi fotodetektorami (lub krótko fotodetektorami);

• transoptory, składające się z co najmniej jednego fotoemitera i jednego

fotodetektora wzajemnie odizolowanych elektronicznie i zamkniętych we

wspólnej obudowie;

• przetworniki promieniowania, które stanowią złożone struktury elementów

optoelektronicznych.

Półprzewodnikowe fotoemitery przetwarzają sygnały elektryczne na

odpowiadające inne sygnały promieniowania. Tworzą one dwie grupy:

- fotoemitery dyskretne,

- fotoemitery scalone.

Fotoemitery dyskretne dzielą się dalej na:

- diody elektroluminescencyjne emitujące promieniowanie widzialne przy długości

fali promieniowania mniejszej od 780 nm (do tej grupy należą diody pracujące jako

wskaźniki optyczne, wymaga się od nich dużej niezawodności i dużej wartości

luminancji);

- diody elektroluminescencyjne emitujące promieniowanie podczerwone (wymaga

się od nich dużej niezawodności, dużej szybkości modulacji i dużej wartości

luminancji energetycznej) i lasery półprzewodnikowe pracujące przy długości fali

promieniowania większej od 780 nm.

3

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Diody elektroluminescencyjne stanowią największą grupę fotoemiterową.

Charakteryzują się one wieloma zaletami:

- względnie małym poborem prądu (I = 50 mA), małą wartością napięcia

zasilającego (1,2 = 2,6 V), – dobrą sprawnością;

- małymi wymiarami;

- dużą niezawodnością działania;

- bardzo dużą trwałością (ponad 100 tys. godzin);

- dużą wartością luminancji.

Fotoemitery scalone dzielą się na:

- wskaźniki cyfrowe półprzewodnikowe;

- wskaźniki alfanumeryczne półprzewodnikowe, pracujące przy długości fali

promieniowania większej od 780 nm.

Sterowanie pracą źródła promieniowania uzyskuje się przez odpowiednią

budowę obwodu sterowania. Ten obwód sterujący nazywa się obwodem

fotonadajnika. Parametry fotoemiterów można podzielić na:

- parametry emisyjne,

- parametry elektryczne.

Parametry emisyjne obejmują:

- całkowitą moc promieniowania (całkowity strumień promieniowania),

- długość fali promieniowania,

- szerokość połówkowa widma promieniowania,

- kąt połówkowy promieniowania,

- natężenie promieniowania,

- luminancja energetyczna.

4

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Moc promieniowania jest mocą emitowaną przez diodę elektroluminescencyjną.

Fotometrycznym równoważnikiem mocy jest strumień świetlny.

Parametry energetyczne obejmują:

- napięcie przewodzenia U

F

dla danego prądu I

F

,

- napięcie wsteczne U

R

dla danego prądu I

R

,

- sprawność kwantowa zewnętrzna.

Półprzewodnikowe fotodetektory przetwarzają energię promieniowania na energię

elektryczną. Dzielą się one na:

- fotorezystory,

- fototranzystory,

- -fotoogniwa,

- fotodiody,

- fotodiody lawinowe.

Fotodetektory są charakteryzowane przez następujące parametry:

- mechaniczne,

- optyczne,

- dynamiczne.

Parametry mechaniczne określają:

- wymiary detektora, a ściślej rodzaj obudowy i jej wymiary;

- ciężar;

- wymiary powierzchni światłoczułej, które mają wpływ na czułość fotodetektora.

5

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Każdy fotodetektor pracuje w typowym dla niego zakresie widmowym.

Rys. 2.2.

Charakterystyka widmowa względnej czułości oka ludzkiego

6

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

3. Opis badanych elementów

3.1 Fotodioda

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa, z tym że w

obudowie znajduje się soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie

jednego z obszarów złącza.

Rys. 3.1.1.

Budowa fotodiody

Fotodioda pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy braku

oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny I

RO

, tworzą go

głównie nośniki mniejszościowe. Przy oświetleniu fotodiody, w pobliżu jej

powierzchni są generowane pary nośników dziura – elektron. Obszar ładunku

przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ

nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze

N i elektrony w obszarze P) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są

przyspieszane i pokonują złącze. Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelektryczny

I

p

. Prąd oświetlonego złącza, tzw. prąd jasny I

R(e)

składa się więc z prądu

fotoelektrycznego I

p

i prądu ciemnego I

RO

.

I

R(e)

= I

p

- I

RO

7

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Rozdzielenie (redystrybucja) nośników ładunku powoduje jednocześnie

powstanie dodatkowej różnicy potencjałów, obniżającej istniejącą w złączu barierę

potencjału.

Niektóre nośniki większościowe pokonują tę obniżoną barierę potencjału.

Przechodzą (są wstrzykiwane) do sąsiednich obszarów, gzie stają się nośnikami

mniejszościowymi i rekombinują. Napięcie powstałe na zaciskach złącza nazywa się

napięciem fotoelektrycznym lub napięciem fotowoltanicznym Up. Wskutek generacji

prądu fotoelektrycznego lub powstania napięcia fotoelektrycznego, charakterystyki

prądowo napięciowe ulegają zmianie. Prąd fotodiody wzrasta proporcjonalnie, do

mocy promieniowania Pe. Czułość na moc promieniowania SPe, będąca stosunkiem

zmiany prądu do mocy dającego promieniowania jest więc stała i to w szerokim

zakresie. Zakres ten obejmuje 8 dekad zmian mocy promieniowania. Jest to jedną z

zalet fotodiody.

Istotną zaletą fotodiod jest również duża częstotliwość pracy. Mogą one

przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz. Fotodiody

wykonuje się z krzemu lub z arsenku galu. Czułość widmowa fotodiod krzemowych

ma maksimum przy długości fali 700=900 nm, co pokrywa się z maksimum

promieniowania fotoemiterów wykonywanych z arsenku galu. Typowe parametry

fotodiod są następujące:

• maksymalne napięcie wsteczne U

Rmax

= 10 - 500 V

• maksymalny prąd ciemny I

ROmax

= 10-100 nA

• czułość na moc promieniowania S

Pe

= 0,3 -1

A

/

W

• czułość na natężenie oświetlenia S

Ev

= 10 -100

nA

/

lx

Fotodiody są stosowane w urządzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego

sterowania oraz w szybkich przetwornikach analogowo-cyfrowych. jednak najbardziej

typowymi przykładami ich zastosowań są układy pomiarowe wielkości elektrycznych

i nieelektrycznych, np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń

roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itd. Znacznie większą czułością

i szybkością działania niż fotodiody konwencjonalne charakteryzują się fotodiody

PIN.

8

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

W fotodiodach tych dwa silnie domieszkowane obszary P i N są rozdzielone

szeroką warstwą wysokorezystywnego półprzewodnika samoistnego I. Padające

promieniowanie generuje dodatkowe nośniki przede wszystkim w obszarze I. W

obszarze tym, przy polaryzacji zaporowej istnieje silne pole elektryczne, a więc

nośniki poruszają się z dużą prędkością, co zmniejsza czas ich przelotu. W rezultacie

fotodiody PIN mają bardzo duże częstotliwości graniczne, dochodzące do 10 GHz.

Fotodiody PIN stosuje się m.in. w systemach telekomunikacji światłowodowej i w

układach detekcji promieniowania laserowego.

Również dużą czułością i szybkością działania charakteryzują się fotodiody

lawinowe. Wykorzystuje się w nich wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne oraz

zjawisko lawinowego powielania nośników. Dzięki lawinowemu powielaniu nośników

prąd fotoelektryczny ulega wzmocnieniu. Miarą teko wzmocnienia jest współczynnik

powielenia lawinowego M, nazywany też wzmocnieniem sygnału GP. Maksymalne

wzmocnienie jest rzędu 10000. Praktycznie wykorzystuje się wzmocnienie 100 - 500.

Fotodiody lawinowe stosuje się do detekcji szybkozmiennych impulsów

świetlnych o bardzo małej mocy, np. w łączach światłowodowych, w układach

automatyki oraz w sprzęcie wojskowym. Wadą fotodiod lawinowych jest

skomplikowany układ ich zasilania oraz złożona technologia wytwarzania.

Rys. 3.1.2.

Charakterystyka prądowo-napieciowa Fotodiody

9

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

3.2 Fotogniwo

Ogniwo fotoelektryczne (fotoogniwo) jest elementem ze złączem PN, w którym

pod wpływem promieniowania powstaje napięcie fotoelektryczne U

p

.

Fotoogniwo jest przetwornikiem generacyjnym. Nie wymaga więc żadnej polaryzacji

napięciem zewnętrznym.

Rzeczywistemu fotoogniwu można przyporządkować schemat zastępczy.

3.2.1. Schemat

zastępczy fotoogniwa

Napięcie na rezystancji obciążenia U

wy

jest mniejsze od napięcia

fotowoltaicznego o spadek napięcia na rezystancji R

S

.

Jeżeli rezystancja obciążenia będzie równa nieskończoności, to napięcie na

zaciskach obwodu rozwartego będzie równe Up. Natomiast przez zwarte końcówki

fotoogniwa popłynie prąd zwarciowy I

K

= I

p

. Charakterystyki zewnętrzne fotoogniwa

zależą zatem również od rezystancji obciążenia. Zależność tę obrazują charakterystyki

prądowo-napięciowe fotoogniwa krzemowego przy różnych wartościach mocy

promieniowania. Na wykres naniesiono także proste obciążenia, odpowiadające

rezystancji R

0

. Przecięcie prostej obciążenia z odpowiednią charakterystyką daje punkt

pracy fotoogniwa.

10

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

3.2.2. Charakterystyka

prądowo-napięciowa fotogniwa

Zależność prądu zwarciowego od mocy promieniowania jest liniowa, natomiast

napięcie U

p

jest logarytmiczną funkcją nocy promieniowania. Dlatego na przykład w

układach pomiarowych fotoogniwo pracuje zwykle przy zwarciu. Przy wykorzystaniu

fotoogniwa jako źródła energii dąży się do optymalizacji rezystancji obciążenia w

zależności od mocy promieniowania.

Fotoogniwa są wytwarzane głównie z krzemu, rzadziej z arsenku galu. Przy

stosowaniu fotoogniw krzemowych uzyskuje się większy prąd fotoelektryczny, ale

przy mniejszym napięciu fotowoltaicznym (dla fotoogniw z Si wartość U

p

0,6 V, dla

fotoogniw z GaAs wartość U

p

0,9 V). Ich czułość widmowa osiąga maksimum przy

długości fali ok. 900 nm.

11

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Fotoogniwa dzieli się na dwie podgrupy - fotoogniwa pomiarowe i zasilające:

- fotoogniwa pomiarowe pracują jako źródła sygnałów sterowane

promieniowaniem i stosowane np. do pomiarów mocy promieniowania

emitowanego przez źródła żarowe,lasery, diody elektroluminescencyjne itp.;

- fotoogniwa

zasilające są stosowane głównie jako baterie słoneczne. Parametry

ich optymalizuje się w celu otrzymania dużej wyjściowej mocy elektrycznej.

Sprawność przemiany energii fotoogniw krzemowych zawiera się w zakresie

6-15% (teoretycznie do ok. 20%). Oznacza to, że z baterii słonecznej o

powierzchni 1 m

2

można otrzymać 100 W mocy elektrycznej.

Przykładową budowę oraz podstawowy układ pracy fotoogniwa przedstawia

rysunek poniżej.

a).

b).

3.2.3. Ogniwo

słoneczne

a) układ podstawowy
b) na powierzchni diody powstajewarstwa p, aby wykorzystać ją w pełni bez zasłaniania i

maskowania stykami

3.3 Fotorezystor

Fotorezystor jest najprostszym fotodetektorem objętościowym. Jego rezystancja

zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku

przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Zmiany

rezystancji mogą być bardzo duże - stosunek rezystancji jasnej R

E

, tzn. rezystancji

fotorezystora oświetlonego, do rezystancji ciemnej R

0

, tzn. rezystancji fotorezystora

nie oświetlonego, może być nawet rzędu kilku tysięcy.

12

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich

półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych

na izolacyjne, np. szklane podłoże . Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe

elektrody mające wyprowadzenia. Elektrody te często mają kształt grzebieniowy. Nad

powierzchnią światłoczułą umieszcza się okienko i zamyka w obudowie, chroniącej

przed uszkodzeniami, a niekiedy umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw.

naczynie Dewara).

Fotorezystory wykonuje się z półprzewodników samoistnych, zwłaszcza

krzemu -Si, siarczku ołowiu PbS, selenku ołowiu PbSe, antymonku indu InSb,

siarczku kadmu CdS, jak również, z półprzewodników domieszkowanych, np. tellurku

kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od materiału półprzewodnikowego zależy

zakres widmowy wykrywanego promieniowania, czyli zakres długości fal, dla którego

czułość fotorezystora wynosi nie mniej niż 10% czułości maksymalnej.

Fotorezystory z CdS są elementami czułymi na promieniowanie widzialne,

natomiast rezystory z PbS i PbSe są czułe na promieniowanie podczerwone,

emitowane m.in. przez silniki samolotów i rakiet.

Rezystancja fotorezystora R

E

jest nieliniową funkcją natężenia oświetlenia E

v

.

Fotorezystory nie są elementami szybkimi. Stałe czasowe narastania prądu

fotoelektrycznego i wynoszą od kilku mikrosekund do nawet kilkudziesięciu

milisekund. Wartość na jakiej ustali się rezystancja zależy także od "przeszłości"

fotorezystora. Po długotrwałym oświetlaniu otrzymuje się większe wartości

rezystancji niż wtedy, gdy fotorezystor był przechowywany w ciemności. Do wad

fotorezystorów należy również znaczna wrażliwość temperaturowa.

Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory

wykorzystuje się np. do pomiaru temperatury i ostrzegania w systemach

przeciwpożarowych, do wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych, do

detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków, do badania zasobów ziemi z

samolotów i satelitów, a także do celów wojskowych.

13

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Tab. 3.3.1Przykładowe parametry fotorezystorów.

Ro

λs1 , λs2

Materiał

M

Ω

µm

Si

PbS

PbSb

InSb

CdS

Ok.1,0
Ok.0,1
Ok.2,0

Ok.0,00002

Ok.1-100

0,8-1,1
1,2-1,8
0,5-4,5
3,6-7,3
0,4-0,8

Rys. 3.3.1.

Charakterystyka widmowa

Rys. 3.3.2.

Charakterystyka prądowo-

fotorezystora.

napięciowa.

Rys. 3.3.3.

Zależność rezystancji

Rys. 3.3.4

Budowa fotorezystora

fotorezystorów od natężenia.
oświetlenia.

14

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

3.4 Fototranzystor

Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość

fotodiody, ponieważ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega

dodatkowemu wzmocnieniu.

Styk bazowy fototranzystora nie odgrywa roli w funkcjonowaniu przyrządu.

Jednakże obecność rezystancji pomiędzy emiterem i bazą polepsza wydatnie

stabilność cieplną w wysokich temperaturach oraz kształtuje korzystnie stosunek

prądu oświetleniowego do ciemnego.

Na rysunku pokazano symbol graficzny fototranzystora (typu n-p-n) w układzie

z otwartym obwodem bazy (Rys. 3.4.1a) i z rezystorem w obwodzie baza- emiter

(Rys. 3.4.1b).

a).

b).

Rys.3.4.1. Spolaryzowany

fototranzystor:

a) z bazą o potencjale swobodnie zmiennym
b) z rezystorem między bazą i emiterem dla polepszenia charakterystyk

temperaturowych i stosunku parametrów oswietlenia i stanu ciemnego.

Złącza tranzystora i fototranzystora polaryzuje się w identyczny sposób z tym

wyjątkiem, że baza fototranzystora ma swobodną wartość potencjału. Zawsze mamy

jednak do czynienia ze złączem emiter-baza spolaryzowanym w kierunku przewodzenia i

złączem baza-kolektor spolaryzowanym zaporowo.

W warunkach zaciemnienia, gdy na przyrząd nie pada promieniowanie świetlne,

wykres pasmowo energetyczny jest identyczny jak tranzystora konwencjonalnego.

15

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Rys. 3.4.2. wyobraża przyrząd, w którym w warunkach zaciemnienia odbywa

się wędrówka dziur z emitera przez bazę do kolektora. Jeśli oświetlimy obszar bazy,

padające fotony spowodują dzięki zderzeniom powstanie w tym obszarze par elektron-

dziura. Dziury dołączą do nośników wstrzykiwanych przez emiter, będąc

przyspieszane przez pole elektryczne złącza kolektor-baza. Elektrony nie mogą

opuścić obszaru bazy, ponieważ jako nośniki większościowe odpychane są w warstwie

zaporowej. Mówimy, że znajdują się wewnątrz dołu potencjału.

Rys. 3.4.2

Zjawiska fizyczne w fototranzystorze z bazą o potencjale swobodnie zmiennym:

a) w ciemności, b) przy oświetleniu

Podstawowymi charakterystykami fototranzystora są charakterystyki

wyjściowe, przedstawiające zależność prądu I

CE(e)

od napięcia kolektor-emiter U

CE

.

Parametrem krzywych jest natężenie oświetlenia E

v

lub moc promieniowania Pe,

podobnie jak prąd bazy I

B

tranzystorów konwencjonalnych. Czułość na natężenie

oświetlenia S

Ev

wynosi od kilku do kilkuset, mikroamperów na luks, prąd I

CE(e)

jest

rzędu kilku do kilkudziesięciu miliamperów, napięcie U

CE

nie przekracza zwykle

kilkudziesięciu woltów. Czułość ma maksimum przy długości fali wynosi ok.

750 = 900 nm.

Wadą fototranzystorów jest ich mała prędkość działania. Częstotliwość

graniczna jest rzędu kilkudziesięciu kiloherców.

16

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Głównymi obszarami zastosowań fototranzystorów są układy automatyki i

zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych i nieelektrycznych,

przetworniki analogowo-cyfrowe, układy łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i

kart kodowych itp.

Rys. 3.4.3.

Charakterystyka prądowo-napięciowa fototranzystora

3.5 Dioda

elektroluminescencyjna

Diody elektroluminescencyjne, oznaczone skrótowo w polskiej nomenklaturze

symbolem LED, są elementami elektronicznymi z jedną warstwą zaporową, które przy

polaryzacji w kierunku przewodzenia emitują energię świetlną. Promieniowanie

emitowane przez te diody jest wynikiem zjawiska promienistej rekombinacji

elektronów i dziur wstrzykiwanych przez złącze p-n.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody ma w kierunku przewodzenia

gwałtowne zagięcie, powyżej którego ma przebieg bardzo stromy (podobnie jak diody

Zenera). Diody LED mogą być zasilane bezpośrednio z sieci 220 V. Przy prostowaniu

półokresowym migotanie światła jest niezauważalne.

17

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Barwa światła emitowanego przez przyrządy półprzewodnikowe zależy od

materiału stosowanego do produkcji, od domieszkowania i technologii.

Obecnie dominującą pozycję zajmują diody z arsenku galu (GaAs). W

dziedzinie produkcji diod LED dąży się do opanowania technologii innych materiałów

półprzewodnikowych, głównie takich, które umożliwiają przesunięcie widma

promieniowania w kierunku maksymalnej czułości oka ludzkiego.

Obecnie można przypuszczać z dużym prawdopodobieństwem, że produkcja

LED z fosforku galu (GaP - światło zielone) będzie szybko wzrastała. Jedną z

najważniejszych zalet jest możliwość emisji kilku barw przy odpowiednim

domieszkowaniu, np. czerwieni, zieleni, a nawet barwy żółtej. Napięcie wzbudzające

jest niewielkie, a sprawność emisji większa niż dla diod z GaAs.

Wykorzystując diody GaP można budować duże wskaźniki alfanumeryczne

(litery, cyfry) z zastosowaniem reflektorów i podświetlania, gdyż w tym przypadku

emisja świetlna zachodzi nie tylko z górnej powierzchni diody, lecz także z

powierzchni bocznych.

Parametrem charakteryzującym diody LED jest tzw. kąt połówkowy. Jest to kąt

mierzony między prostopadłą do płaszczyzny zmontowanej struktury, a kierunkiem,

dla którego sygnał świetlny diody maleje do połowy. Kąt ten zależy od typu diody

przyjmuje wartość od kilkunastu stopni do 90°C. Im mniejszy kąt połówkowy, tym

większa światłość i dlatego znajomość tego kąta ułatwia porównywanie parametrów

świetlnych diod.

Jeżeli diody elektroluminescencyjne jako źródła światła mają być

wykorzystywane do celów telekomunikacji optycznej wówczas emitowane przez nie

światło musi być modulowane. Diody LED są modulowane bezpośrednio przez

zmianę prądu wstrzykiwania (stopnia wzbudzenia). Stosowana w nich modulacja

natężenia światła (IM) polega na zmianach kwadratu amplitudy światła w takt zmian

sygnału modulującego. Modulacja ta ma duże znaczenie w telekomunikacji optycznej.

Ważne jest także, że duża grupa detektorów światła wytwarza sygnały elektryczne

proporcjonalne do amplitudy padającego światła.

18

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Diody LED o promieniowaniu podczerwonym charakteryzują się mocą

promieniowania od 4 do 15 mW przy I

f

= 200 mA. Są one zamykane w obudowach

metalowo-plastykowych.

Rys. 3.5.1.

Charakterystyka prądowo-napięciowa w kierunku przewodzenia

Rys. 3.5.2.

Charakterystyka światłości

19

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

4. Przebieg ćwiczenia

4.1 Badanie

fotodiody

Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody I

R

=f(U

R

)\U

z1

= const

Schemat układu

Tabela pomiarowa

I

R

mA

U

z1

=0 V

U

R

V

I

R

mA

U

z1

=30 V

U

R

V

W celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej zaciemnionej

fotodiody, czyli przy wartości natężenia oświetlenia równej zero E

v

= 0, należy

ustawić wartość napięcia zasilającego diodę LED równą zero U

z1

=0 V (przy pomocy

źródła zasilania U

z1

), i dla kolejnych wartości napięć zasilających U

z2

odczytywać

wskazania miliamperomierza mA2 oraz woltomierza V2.

Z kolei w celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody

przy danym natężeniu oświetlenia E

v

≠0, należy ustawić odpowiednią wartość napięcia

zasilającego diodę LED (przy pomocy źródła zasilania U

z1

) np. U

z1

=30V, i dla

kolejnych wartości napięć zasilających U

z2

odczytywać wskazania miliamperomierza

mA2 oraz woltomierza V2.

Wyznaczanie charakterystyki oświetleniowej fotodiody, I

R

=f(U

z1

)\U

z2

= const

20

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Schemat układu

Tabela pomiarowa

U

z1

V

U

z2

=30 V

U

R

V

R

o

=500

Ω

I

R

mA

W celu wyznaczenia charakterystyki oświetleniowej fotodiody przy stałej

wartości napięcia zasilania np. U

z2

=30V i stałej wartości rezystancji obciążenia np.

R

o

=500W, należy zmieniać wartość napięcia zasilającego diodę LED U

z1

za pomocą

źródła zasilania U

z1

, mierząc ją woltomierzem V1, a następnie odczytywać wskazania

miliamperomierza mA2 i woltomierza V2.

21

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

4.2 Badanie

fotoogniwa

Wyznaczanie charakterystyki oświetleniowej fotoogniwa, I

F

=f(U

z1

)\R

o

= const

oraz U

F

=f(U

z1

)\R

o

= const

Schemat układu

Tabela pomiarowa

U

z1

V

U

F

V

Ro=..

Ω

I

F

mA

U

z1

V

U

F

V

Ro=..

Ω

I

F

mA

W celu wyznaczenia charakterystyki oświetleniowej fotoogniwa, czyli

zależności siły elektromotorycznej na zaciskach ogniwa otwartego od napięcia

zasilającego diodę LED U

F

=f(U

z1

) i zależności prądu fotoelektrycznego w rezystorze

obciążającym fotoogniwo od napięcia diody LED I

F

=f(U

z1

)\R

0

= const, należy

zmieniać wartość napięcia zasilającego diodę LED U

z1

za pomocą źródła zasilania U

z1

,

mierząc ją woltomierzem V1, a następnie odczytywać wskazania miliamperomierza

mA2 i woltomierza V2.

22

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

4.3 Badanie

fotorezystora

Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora, I

F

=f(U

F

)\U

z1

= const

Schemat układu

Tabela pomiarowa

I

F

µA

U

z1

=0 V

U

F

V

I

F

mA

U

z1

=30 V

U

F

V

W celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej zaciemnionego

fotorezystora, czyli przy wartości natężenia oświetlenia równej zero E

v

=0, należy

ustawić wartość napięcia zasilającego diodę LED równą zero U

z1

=0V (przy pomocy

źródła zasilania U

z1

), i dla kolejnych wartości napięć zasilających U

z2

odczytywać

wskazania miliamperomierza mA2 oraz woltomierza V2.

Z kolei w celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora

przy danym natężeniu oświetlenia Ev≠0, należy ustawić odpowiednią wartość napięcia

zasilającego diodę LED (przy pomocy źródła zasilania U

z1

) np. U

z1

=30V, i dla

kolejnych wartości napięć zasilających U

z2

odczytywać wskazania miliamperomierza

mA2 oraz woltomierza V2.

23

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Wyznaczanie charakterystyki oświetleniowej fotorezystora, I

F

=f(U

z1

)\U

z2

= const oraz

R=f(U

z1

)\U

z2

= const

Schemat układu

Tabela pomiarowa

U

z1

V

U

z2

=30 V

I

F

mA

U

F

V

R

o

=500

Ω

R

k

Ω

W celu wyznaczenia charakterystyki oświetleniowej fotorezystora przy stałej

wartości napięcia zasilania np. U

z2

=30V i stałej wartości rezystancji obciążenia np.

R

0

=500Ω, należy zmieniać wartość napięcia zasilającego diodę LED U

z1

za pomocą

źródła zasilania U

z1

, mierząc ją woltomierzem V1, a następnie odczytywać wskazania

miliamperomierza mA2 i woltomierza V2. Natomiast rezystancję fotorezystora R

oblicza się z prawa Ohma.

24

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

4.4 Badanie

fototranzystora

Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fototranzystora,

I

F

=f(U

CE

)\U

z1

=const

Schemat układu

Tabela pomiarowa

U

CE

V

U

z1

=0V

U

RE

V

R

E

=....

Ω

I

C

mA

U

CE

V

U

z1

=....V

U

RE

V

R

E

=…

Ω

I

C

mA

W celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej fototranzystora przy

zaciemnionym obszarze jego bazy, czyli przy wartości natężenia oświetlenia równej

zero E

v

=0, należy ustawić wartość napięcia zasilającego diodę LED równą zero U

z1

=0

przy pomocy źródła zasilania U

z1

. Następnie należy zmieniać wartość napięcia

zasilającego U

z2

w granicach od 0 do wartości znamionowej fototranzystora, i

odczytywać wskazania miliamperomierza mA2 oraz woltomierzy V2 i V3.

25

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

Natomiast do pomiaru prądu fotoelektrycznego, który jest w tym przypadku

prądem kolektora wykorzystuje się wskazania woltomierza V3 mierzącego spadek

napięcia U

RE

. Wartość tego prądu oblicza się z prawa Ohma.

Z kolei w celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej

fototranzystora przy oświetlonym obszarze jego bazy, czyli przy danej wartości

natężenia oświetlenia E

v

#0, należy ustawić odpowiednią wartość napięcia zasilającego

diodę LED U

z1

za pomocą źródła zasilania U

z1

, np. U

z1

=30V. Następnie przebieg

czynności jest identyczny jak w przypadku wyznaczania charakterystyki przy

zaciemnionym obszarze bazy fototranzystora.

Wyznaczanie charakterystyki oświetleniowej fototranzystora, I

C

=f(U

z1

)\U

CE

= const

Schemat układu

Tabela pomiarowa

U

z1

V

U

RE

V

U

CE

=....V

R

E

=....

Ω

I

C

mA

26

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

W celu wyznaczenia charakterystyki oświetleniowej fototranzystora przy stałej

wartości napięcia U

CE

polaryzującego odpowiednio jego złącza i stałej wartości

rezystancji R

E

, należy zmieniać wartość napięcia zasilającego diodę LED U

z1

za

pomocą źródła zasilania U

z1

, mierząc ją woltomierzem V1, a następnie odczytywać

skazania miliamperomierza mA2 i woltomierza V3. Natomiast wartość prądu

kolektora I

C

oblicza się z prawa Ohma.

4.5

Badanie diody elektroluminescencyjnej

Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody elektroluminescencyjnej

(LED), I

d

=f(U

d

).

Schemat układu

Tabela pomiarowa

U

d

V

I

d

mA

Badanie diody elektroluminescencyjnej przeprowadza się przy pomocy dowolnej

''czarnej'' skrzynki, ponieważ znajduje się ona w każdej z tych skrzynek. Do pomiaru

prądu płynącego przez diodę LED służy miliamperomierz A1, a do pomiaru spadku

napięcia na diodzie-woltomierz V1. Natomiast rezystor R2 służy do zabezpieczenia

zasilacza stabilizowanego napięcia stałego przed zwarciem, oraz do ograniczenia prądu

diody LED. Zmierzone wartości prądu I

d

i napięcia U

d

są wystarczającymi parametrami

do wykreślenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED.

27

Badanie elementów optoelektronicznych

inż. Marcin Więcko

28

Literatura

1. A. Dubik: Zastosowanie laserów WNT 1991

2. A. Chwaleba, B. Moeschke, G. Pszołajski:

Elektronika WSiP 1996

3. T. Masewicz:

Radioelektronika dla praktyków WKiŁ 1986

4. K. Bracławski, A. Siennicki:

Elementy półprzewodnikowe WNT 1978

5. A. Chwaleba, B. Moeschke, M. Pilawski:

Pracownia elektroniczna -

elementy układów elektronicznych WSiP 1998