Microsoft Word - INSTRUKCJA - Badanie charakterystyki widmowej fotofetektorów.doc

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA W KIELCACH

Wy dz i a ł E l e kt r o t e c hni ki , A ut o ma ty ki i I nf o r ma ty ki

K a t e d r a T e l e k o m u n i k a c j i , F o t o n i k i i N a n o m a t e r i a ł ó w

LABORATORIUM Z FIZYKI

Instrukcja do ćwiczenia nr 3

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI

WIDMOWEJ FOTODETEKTORÓW

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI WIDMOWEJ FOTODETEKTORÓW

I. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk widmowych fotodetektorów rożnego typu.

II. Zagadnienia do przygotowania

1. Fotoemisja, fotoprzewodnictwo, absorpcja termiczna
2. Fotodetektory

III.  Literatura

1.   B.M. Jaworski, A.A. Dietław, Fizyka. Poradnik encyklopedyczny, PWN, Warszawa 1995
2.   J. Petykiewicz, Podstawy fizyczne optyki scalonej, PWN, Warszawa 1989
3.   J. Cieślak, Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne, WMON 1981
4.   J. Pankove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT ,Warszawa 1974
5.   K. Booth, S. Hill, Optoelektronika, WKŁ 1998
6.   U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1997
7.   S. Wirsum, Nowe i najnowsze układy elektroniczne, WK i Ł Warszawa 1986
8.   Katalog ELFA nr 46, ELFA AB 1998
9.   Katalog Tansfer Multisort Elektronik 2001

UWAGA!!!  Przebywanie  w  Laboratorium  Podstaw  Fotoniki  wymaga  szczególnej
ostrożności  z  uwagi  na  skolimowane  promieniowanie  laserowe.  NIE  NALEŻY  patrzeć
bezpośrednio w wiązkę laserową.

Uwagi praktyczne oraz zasady BHP

- Nie wolno patrzeć wprost w wiązkę laserową! Może to spowodować trwałe

uszkodzenie oka.

Wiadomości teoretyczne

Fotodetektorem, według definicji stosowanej w optoelektronice, jest 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. 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

Rys. 1. Zjawisko fotoemisji z metalu

W  półprzewodnikach  poziom  Fermiego  znajduje  się  zwykle  w  obszarze  przerwy
energetycznej, w której  nie  mogą znajdować się  elektrony (czyli  nie  mogą  mieć one energii
równej  poziomowi  Fermiego).  Większość  elektronów  w  półprzewodnikach  najpierw  musi
pokonać przerwę energetyczną  między pasmami  walencyjnym  i przewodnictwa, a  następnie
uwolnić  się  z  dna  pasma  przewodnictwa.  Energia  konieczna  do  tego,  aby  elektron  opuścił
materiał  po  pokonaniu  przerwy  energetycznej,  określana  jest  mianem  powinowactwa
elektronowego  (oznaczana  jako  χ).  Powinowactwo  elektronowe  to  różnica  energii  między
szczytem  i  dnem  pasma  przewodnictwa.  Energia  potrzebna  do  uwolnienia  elektronu  do
przestrzeni swobodnej dla większości elektronów w półprzewodniku wynosi Eg+ χ, (Eg jest
to wielkość przerwy energetycznej). Jeśli atom nie znajduje się wewnątrz  materiału, rozkład
stanów  energetycznych  może  ulec  zmianie.  Prowadzi  to  do  zjawiska  zwanego  „zagięciem
pasma”. Polega ono na tym, że tworzą się poziomy energetyczne o energii, która w materiale

zwartym znalazłaby się w przerwie energetycznej. Te poziomy zapełniają się dziurami,
dlatego powstają obszary zubożone w dziury, co powoduje spadek potencjału i prowadzi do
zagięcia pasma.

Rys. 2. Zagięcie pasma energetycznego

Elektrony  znajdujące  się  wewnątrz  materiału  półprzewodnikowego  mają  znacznie
zredukowaną  barierę  energetyczną  w  kierunku  powierzchni  półprzewodnika,  co  jest
spowodowane  zagięciem  pasma  i  zmniejszeniem  się  powinowactwa  elektronowego.
Efektywne powinowactwo elektronowe jest więc równe:

gdzie: Vs – spadek potencjału na obszarze zubożonym

W oparciu o zjawisko fotoemisji działa fotopowielacz.

1.2.  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.

1.3. 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).

Pasmo absorpcji związane z przejściem międzypasmowym jest ograniczone od strony

długofalowej przez tzw. główną krawędź absorpcji. Energia fotonów, odpowiadająca głównej
krawędzi absorpcji, wystarcza do przeniesienia elektronu z wierzchołka pasma walencyjnego
do  dna  pasma  przewodnictwa,  tzn.  hv  =  Eg,  (Eg  -szerokość  przerwy  wzbronionej).  Jeżeli
temperatura półprzewodnika  lub  izolatora jest wyższa, to zwykle absorpcja  międzypasmowa
zachodzi  z  udziałem  fononu,  który  dostarcza  lub  zabiera  pewną  wartość  energii  (przy
spełnieniu  zasady  zachowania  energii).  Możliwa  jest  również  absorpcja  do  stanów  leżących
poniżej przerwy energetycznej w półprzewodniku lub izolatorze. Stany wzbudzone, leżące
poniżej przerwy energetycznej, nie prowadzą do bezpośredniej generacji ładunku.

Działanie termopary, bolometru oraz detektorów piroelektrycznych jest oparte na

absorpcji termicznej.

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:

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 m

, 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

3. Ogólna Charakterystyka wybranych fotodetektorów

a) 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.

Najczęściej fotorezystory produkowane są z takich materiałów jak: siarczek ołowiowy

(PbS), tellurek ołowiowy (PbTe), samoistny albo odpowiednio aktywowany german (Ge),
antymonek indu (InSb), oraz siarczek kadmu (CdS).

Charakterystykę rezystancyjno - oświetleniową przedstawia zależność rezystancji R

fotorezystora od natężenia oświetlenia E może być opisana w przybliżeniu wzorem
empirycznym:

gdzie: Ro - rezystancja fotorezystora przy natężeniu Eo (zwykle 10 lx), g –stały

współczynnik

(jego

wielkość

zależy

głownie

rodzaju

materiału

półprzewodnikowego np. dla CdS g =0.5-1)

b) Fotodioda

Fotodiody - półprzewodnikowe elementy fotoelektryczne z warstwą zaporową, są to

najogólniej

biorąc,

złącza

p-n,

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).

Fotodioda pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. W stanie ciemnym

(przy  braku  oświetlenia)  przez  fotodiodę  płynie  tylko  prąd  ciemny,  będący  prądem
wstecznym  złącza  określonym  przez  termiczną  generację  nośników.  Oświetlenie  złącza
powoduje  generację  dodatkowych  nośników  i  wzrost  prądu  wstecznego  złącza,
proporcjonalny  do  natężenia  padającego  promieniowania.  Parametry  niektórych  fotodiod
zestawiono w tabeli poniżej (FG2 fotodioda germanowa, pozostałe krzemowe).

Tabela 1. Parametry przykładowych fotodiod

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.

Rys. 3. Charakterystyki prądowo napięciowe oświetlonego złącza p-n

d) 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.

Oświetlenie obszaru bazy promieniowaniem o odpowiedniej długości fali powoduje w

wyniku fotoefektu wewnętrznego pojawienie się w bazie fototranzystora dodatnich i
ujemnych nośników prądu: dziur i elektronów. Zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor

powoduje  rozdzielenie  nośników  (analogicznie  jak  ma  to  miejsce  w  zaporowo
spolaryzowanej  fotodiodzie).  Nośniki  mniejszościowe  pod  wpływem  pola  elektrycznego  na
granicy baza kolektor zostają „przerzucone” do kolektora. Nośniki większościowe gromadzą
się  w  bazie,  co  powoduje  obniżenie  bariery  potencjału  na  złączu  baza  emiter,  a  to  z  kolei
umożliwia przejście nośników większościowych z obszaru emitera do obszaru bazy. Nośniki
te w obszarze bazy stają się nośnikami mniejszościowymi, zaporowa polaryzacja złącza baza
kolektor  powoduje  ich  przejście  do  obszaru  kolektora  i  zwiększenie  prądu  kolektora.
Charakterystyki  wyjściowe  I

= f(U

) są analogiczne jak dla zwykłych tranzystorów

bipolarnych, parametrem jednak nie jest prąd bazy, ale natężenie oświetlenia obszaru bazy.

Rys. 4. Rodzina charakterystyk wyjściowych fototranzystora dla rożnych wartości oświetlenia

(E1< E2< E3< E4)

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.

Transoptor może być zamknięty, monolityczny (scalony) i wtedy promieniowanie wysyłane

przez  źródło  światła  przenika  przez  warstwę  materiału  elektroizolacyjnego  (np.  szkło,  żywica
epoksydowa).  W  transoptorze  otwartym,  szczelinowym  (tzw.  transmisyjnym)  oraz  odbiciowym
(refleksyjnym) – światło transmitowane  jest przez  warstwę powietrza, w której znajduje się ruchomy

element  przerywający  lub  ustanawiający  sprzężenie  optyczne  między  źródłem  promieniowania  i
fotodetektorem.  Transoptory  mogą  przenosić  sygnały  stałoprądowe  i  zmiennoprądowe.  Pasmo
przenoszenia  transoptora  zależy  od  rodzaju  wykorzystanego  źródła  promieniowania  oraz
fotodetektora.  Ponieważ  źródło  promieniowania  i  fotodetektor  są  elektrycznie  izolowane,  co
przedstawiono  na  rys.5,  więc  dopuszczalna  różnica  potencjałów  pomiędzy  wejściem  a  wyjściem,
zależnie od wykonania, wynosi od kilkuset woltów do kilkudziesięciu kilowoltów.

Rys. 5. Uproszczony schemat budowy transoptora z jego najważniejszymi parametrami

gdzie:

A – źródło promieniowania, B – fotodetektor, R

ISO

– rezystancja izolacji >> MΩ, U

I/O

– napięcie

przebicia >> kV

Transoptory

można

scharakteryzować

zespołem

parametrów

wejściowych,

wyjściowych, transmisyjnych oraz statycznych i dynamicznych. Do parametrów wejściowych
transoptora  należy  zaliczyć  moc  strat, typowe  napięcie  przewodzenia,  maksymalne  napięcie
wsteczne,  maksymalną  wartość  prądu  przewodzenia  oraz  szczytową  wartość  impulsu
prądowego  dla  danej  długości  impulsu  i  częstotliwości  powtarzania,  a  także  parametry
dynamiczne  –charakterystyka  amplitudowa,  charakterystyka  fazowa,  czas  narastania  oraz
czas opadania impulsu.

Przykładowa charakterystyka wejściowa U

= f(I

) transoptora przedstawiona została na

rys. 6. Przebieg tej charakterystyki zależy od temperatury otoczenia.

Rys. 6. Charakterystyka wejściowa transoptora z fototranzystorem

4. Opis i zasada działania stanowiska pomiarowego

Głównym z założeń projektu stanowiska laboratoryjnego było, to aby na stanowisku

można było przeprowadzić szeroki wachlarz pomiarów, przy dość prostej i szybkiej obsłudze.
Osoba  obsługująca  stanowisko  nie  musi  składać  układu  pomiarowego  od  podstaw,  jej
zadaniem  jest  tylko  jednorazowe  podłączenie  przyrządów  pomiarowych,  wybranie  danego
fotodetektora i wybranie rodzaju charakterystyki.

Rys. 7. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego do badania charakterystyk fotodetektorów

Stanowisko pomiarowe składa się z układu sterującego wraz ze źródłem światła oraz z

zestawu fotoelementów, które będą podlegać badaniu. Stanowisko pomiarowe można ze
względu na obsługę podzielić na trzy bloki:

- Blok do wyznaczania charakterystyki dynamicznej.
- Blok do wyznaczania charakterystyki statycznej
- Blok do wyznaczania charakterystyki widmowej

wyboru

rodzaju

charakterystyki,

która

będzie

badana

służy

przełącznik

„Charakterystyka”. Aktualny rodzaj charakterystyki sygnalizują diody powyżej przełącznika
(rys. 9.).

Rys. 8. Panel sterowania – widok ścianki przedniej

Rys. 9. Blok wyboru rodzaju charakterystyki

Blok do wyznaczania charakterystyki statycznej

Rys. 10. Blok wyznaczania charakterystyk statycznych fotodetektorów

gdzie:

7 –potencjometr regulujący napięcie zasilania źródła światła

8 – potencjometr regulujący napięcie zasilania fotodetektora

Wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na obserwowaniu zależności prądowo

napięciowych w funkcji intensywności świecenia źródła. Z1 reguluje intensywność świecenia,
a  Z2  napięcie  zasilania  fotodetektora.  Wartości  napięć  wskazują  mierniki.  Aby  dokonać
pomiaru  prądu  zastosowano  przetwornik  prąd  napięcie.  Takie  rozwiązanie  wyklucza
włączanie jakichkolwiek mierników szeregowo w obwód fotodetektora.

Blok do wyznaczania charakterystyki dynamicznej

Rys. 11. Blok wyznaczania charakterystyk dynamicznych fotodetektorów

gdzie:

1 - przełącznik ustawiający dwa zakresy częstotliwości generatora;

2 - potencjometr do regulacji amplitudy sygnału z generatora;

3 - potencjometr regulujący szerokość impulsu;

4 - potencjometr regulujący szerokość przerwy pomiędzy impulsami;

5 - przełącznik wyboru rodzaju przebiegu;

6 - diody sygnalizujące rodzaj wybranego przebiegu

Ta część stanowiska pozwala na wyznaczanie zależności częstotliwościowych

fotodetektora.  Pomiar  polega  na  ustawieniu  określonego  napięcia  zasilania  fotodetektora
potencjometrem  Z2,  a  następnie  potencjometrami  3  i  4  należy  regulować  częstotliwość
pulsowania źródła światła. Rożne wartości 3  i 4  ustalają stosunek wypełnienia. Dzięki temu
rozwiązaniu można badać odpowiedź fotodetektora na wymuszenie.

Stanowisko laboratoryjne wyposażono w generator, który pozwala na wybór rodzaju

przebiegu  (prostokątny,  trójkątny  i  sinusoidalny).  Częstotliwość  może  być  regulowana  w
dwóch  przedziałach  20..200Hz  i  200..2000Hz.  do  wyboru  zakresu  służy  przełącznik  1.  Do
pomiarów  można  użyć  także  generatora  zewnętrznego,  w  tym  celu  należy  go  podłączyć  w
odpowiednie gniazdo na tylnej  ściance  i zmniejszyć amplitudę generatora wewnętrznego do
zera.

Blok do wyznaczania charakterystyki widmowej

Rys. 12. Blok wyznaczania charakterystyk widmowych fotodetektorów

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

Źródłem światła zastosowanym na stanowisku pomiarowym jest dioda świecącą RGB

złożoną z trzech układów diodowych: czerwonej, zielonej i niebieskiej. Dzięki takiemu
rozwiązaniu możliwe jest uzyskanie całego pasma światła widzialnego, łącznie z białym które
jest wykorzystane do wyznaczania charakterystyk statycznych i dynamicznych. Rozwiązanie
to eliminuje konieczność stosowania skomplikowanych urządzeń z układami pryzmatowymi
do wyznaczania charakterystyki spektralnej.

Wyznaczanie charakterystyki widmowej polega na pokazaniu zależności fotodetektora

od barwy źrodła światła. Barwę tą ustala się poprzez odpowiedni stosunek napięć podanych
na diodę RGB. W celu uzyskania pełnego widma należy ustalić stosunki napięć jak na rys 13.
Skala światłości jest wprost proporcjonalna do napięcia zasilania diody RGB.

Rys. 13. Rozkład spektralny emisji trzech przykładowych punktowych źrodeł światła w systemie RGB

Widok z tyłu

Rys. 14. Widok ścianki tylnej

gdzie:

14 – wyjście na oscyloskop 1 mierzący sygnał na źrodle światła;

15 –wyjście na oscyloskop 2 mierzący sygnał na fotodetektorze;

16 –wejście generatora zewnętrznego;

17 –zacisk „-” woltomierza V2;

18 –zacisk „+” woltomierza V2;

19 –zacisk „+” woltomierza V1;

20 –zacisk „+” woltomierza Vz2;

21 –zacisk „+” woltomierza VR;

22 –zacisk „+” woltomierza VG;

23 –zacisk „+” woltomierza VB;

24 – zaciski „-”;

25 –gniazdo WE/WY z modułu z fotodetektorem

Widok ścianki bocznej lewej

Rys. 15. Widok ścianki bocznej – lewej

gdzie: 26 –gniazdo bezpiecznika sieciowego;

27 –wtyczka przewodu napięcia sieciowego 230 V;

28 –włącznik napięcia sieciowego 230 V

Widok ścianki bocznej prawej

Rys. 16. Widok ścianki bocznej – prawej

gdzie: 29 –dioda RGB;

30 –oprawa z soczewką

Wygląd zewnętrzny modułów z fotodetektorami

5. Przebieg ćwiczenia - Wyznaczanie charakterystyk widmowych fotodetektorów

Podstawowym celem ćwiczenia jest porównanie kilku rodzajów detektorów światła.

Jednym  z  najistotniejszych  parametrów  fotodetektorów  jest  ich  czułość  i  jej  zależność  od
długości  fali  promieniowania.  Pomiary  charakterystyk  spektralnych  kilku  fotodetektorów
stanowią więc znaczną część ćwiczenia.

Wszystkie badane fotodetektory są w istocie przetwornikami sygnałów świetlnych na

sygnały elektryczne  i wymagają odpowiednich elektronicznych obwodów pracy.  W każdym
wypadku  mierzony  jest  sygnał  prądowy  lub  napięciowy.  Zakresy  wielkości  tych  sygnałów
różnią  się  od  siebie  ze  względu  na  rożne  zasady  działania  detektorów.  Aby  porównać
charakterystyki  widmowe  rożnych  rodzajów  czujnikowa  należy  posłużyć  się  wielkością  o
charakterze  uniwersalnym  –  na  przykład  tzw.  czułością  względną  –  zależnością  wartości
natężenia fotoprądu lub napięcia fotoelektrycznego od długości fali światła znormalizowanej
do jej wartości maksymalnej.

Pomiarów czułości spektralnej dokonuje się kierując na dany fotodetektor wiązkę

światła o zakresie długości fali znacznie ograniczonym przy pomocy diody RGB, rejestrując
sygnał  fotoelektryczny  dla  serii  wartości  centralnej  długości  fali  pokrywającej  pełny
widmowy zakres emisji używanego źródła światła (dioda RGB). Etapem wstępnym powinno
być wyskalowanie źródła światła w jednostkach długości fali, czyli wyznaczenie tzw. krzywej
dyspersji  przy  pomocy  źródła  światła  o  znanym  widmie  (poszczególne  koloru  RGB),  a
końcowym uwzględnienie własności spektralnych światła emitowanego przez diodę.

W celu wyznaczenia charakterystyki widmowej fotodetektorów należy postępować

następująco:

- zbadać światłości poszczególnych barw posługując się spektrometrem,
- skalibrować źródło światła tak aby intensywność świecenia poszczególnych

barw była jednakowa,

- przyjąć skalę od 0 do 10 i wyznaczyć na niej wartości napięć od 0 do U

Wmax

proporcjonalne do skali światłości,

- wyniki zanotować w tabeli 2 czynność tą powtórzyć dla każdej z podstawowych barw
RGB,

Tabela 2. Skala światłości

Wartości z tabeli 2 odnieść do skali światłości na wykresie charakterystyki widmowej

diody RGB (rys. 13).

Zmieniając wartości napięć w odniesieniu do wykresu na poszczególnych kolorach

diody  wyznaczyć  charakterystykę  czułości  fotoogniwa  w  funkcji  długości  fali.  Pomiary
powtórzyć dla pozostałych fotodetektorów dane zamieścić w tabeli 3.  Jeżeli w laboratorium
nie  ma  dostępu  do  spektrometru  można  pominąć  pomiar  źródła  światła  i  odwołać  się  do
wartości zamieszczonych w tabeli 3 a (w przypadku dokonywania pomiarów na stanowisku
laboratoryjnym numer 1) lub tabeli 3 b (dla stanowiska numer 2).

Tabela 3 a. Charakterystyka diody RGB dla stanowiska pomiarowego nr 1