Nazwisko i imię		Maksym Piotr				Wydział Elektryczny Grupa E.D. 3.4
Data wyk. ćwiczenia	16.10.1998	Numer ćwiczenia	10.1	Temat ćwiczenia	Wyznaczanie względnej czułości widmowej fotorezystorów
Zaliczenie		Ocena		Data		Podpis

1. Zasada pomiaru

Fotodetektory są to przyrządy półprzewodnikowe charakteryzujące się zdolnością detekcji sygnałów świetlnych w oparciu o zachodzące zjawiska w fizyce.

Zasadniczo w fotodetektorach zachodzą trzy zjawiska:

• generacja nośników prądu pod wpływem zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego,

• transport nośników prądu z ewentualnym ich powielaniem,

• oddziaływanie wygenerowanych nośników prądu z obwodem zewnętrznym, co powoduje możliwość rejestracji sygnału zewnętrznego.

Szczególnie istotną role odgrywają fotodetektory w systemach łączności światłowodowej. Powodują one przekształcenie intensywności mocy sygnałów optycznych w sygnały elektryczne. Należy wspomnieć o najważniejszych parametrach technicznych fotodetektorów, a są to:

• czułość w danym spektrum długości fali elektromagnetycznej,

• szybkość działania,

• poziom szumów zakłócających.

Przedstawicielami grupy półprzewodnikowej fotodetektorów są fotorezysory. Zbudowane są one najczęściej z płytki półprzewodnikowej, na której końcach umieszczone są złącza omowe.

Podczas padania światła na powierzchnię fotorezystora na skutek wzbudzania przejść międzywęzłowych (wzbudzania samoistne), bądź tez przejść z uczestnictwem poziomów energetycznych, które zostały umiejscowione w strefie wzbronionej (wzbudzanie domieszkowe - akceptorowe albo donorowe) następuje generacja nośników prądu w objętości płytki. W zależności od sposobu domieszkowania mogą to być nośniki „+” („dziury” ) lub „-” (elektrony). Możemy teraz zapisać przewodność fotorezystorów samoistnych: ,

gdzie m_n, m_p - oznacza ruchliwość elektronów i dziur ;

n, p - koncentracja elektronów i dziur;

q - ładunek elektryczny.

Wiemy, że wzrost przewodności pod wpływem padającego światła w takich elementach związany jest zazwyczaj ze zwiększeniem liczby nośników. Możemy więc zapisać wzór na długofalową granicę fotoprzewodności: ,

gdzie l_C jest długością fali, która odpowiada szerokości przerwy energetycznej E_G;

h - stała Plancka,

c - prędkość światła.

Fotoprzewodność może powstać w rezultacie absorpcji fotonów z energiami równymi lub większymi od energii dzielącej poziom domieszkowy i krawędzie strefy walencyjnej lub przewodności.

Parametry znamionowe fotorezystorów to:

• efektywność kwantowa,

• czas fotoodpowiedzi,

• czułość.

Rozpatrzmy teraz procesy, które zachodzą w fotorezystorze pod działaniem fali elektromagnetycznej. Początkowo (t= 0) liczba nośników generowanych optycznie w jednostce objętości wynosi n_O. Natomiast w czasie dowolnym t, liczba nośników w tej objętości w skutek rekombinacji zmniejsza się według wzoru:

gdzie: t - czas życia nośników (1/t - miara szybkości przebiegania procesu rekombinacji)

Jeśli strumień fotonów jest stały i równomiernie rozłożony na powierzchni fotorezystora, to ogólna liczba padających fotonów na tę powierzchnie w jednostce czasu wyraża się wzorem: , gdzie P_opt. jest mocą padającego promieniowania. Gdy prędkość generacji nośników zachodzi z ta sama prędkością co proces rekombinacji, mamy do czynienia z przypadkiem stacjonarnym. jeżeli nasza próbka ma grubość D i znacznie przekracza głębokość wnikania światła, to stacjonarna prędkość generacji nośników G w jednostce objętości wynosi: , gdzie h - jest efektywnością kwantową (stosunek liczby wygenerowanych optycznie nośników do padających fotonów) oraz WLD - objętość naszego fotorezystora. Prąd płynący między końcówkami równa się: , gdzie: e - pole elektryczne fotorezystora, V_D - prędkość dryftowa nośników.

Po przekształceniach otrzymujemy: , gdy przez otrzymamy tzw. współczynnik wzmocnienia fotoprądu K: , gdzie: t_r = L/V_D - czas przelotu nośników.

Współczynnik K zależy od stosunku życia i czasu przelotu nośników.

Zazwyczaj każdy detektor ma pewien zakres pracy, w którym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do wymuszającego - jest to tzw. czułość detektora C. Istotnym parametrem fotodetektorów jest tzw. „względna czułość widmowa” albo „czułość widmowa”. Jest to czułość prądowa albo napięciowa jaką charakteryzuje się detektor przy określonej długości fali padającego światła. Wspomniana czułość widmowa jest najczęściej przedstawiana w postaci wykresu C_l = f(l). Pod pojęciem względnej czułości widmowej rozumiemy czułość C_l w odniesieniu do jej wartości maksymalnej C_lmax, co możemy zapisać:. Dokładnie jednak czułość fotodetektora nie określa zdolności detekcyjnych danego przyrządu. Aby móc określić tę zdolność należy znać charakterystykę szumów elektrycznych na wyjściu detektora oraz równoważną mu moc szumów P_n na wejściu detektora, którą określa wzór: , gdzie U_n - jest skutecznym napięciem szumów, które występują na wyjściu. Zatem detekcyjność D fotoelementów jest to odwrotność równoważnej mocy szumów na wejściu detektora :.

2. Schemat pomiaru

Przebieg ćwiczenia

Pomiaru charakterystyk spektralnych fotorezystorów dokonujemy według schematu, który został przedstawiony na rys. 1.1.

Źródło monochromatycznej fali świetlnej stanowi zestaw monochromatora z umieszczoną wewnątrz żarówką mikroskopową (rys1.2).

W celu wyznaczenia charakterystyki C'_l = f(l) składamy układ pomiarowy według schematu jak na rysunku 1.1. Badany fotorezystor umieszczamy blisko szczeliny wyjściowej monochromatora. Zaciski fotorezystora łączymy szeregowo z mikroamperomierzem i wyjściem zasilacza. Dodatkowo na zaciskach zasilacza mierzymy napięcie przy pomocy równolegle włączonego woltomierza. Szerokość obu szczelin monochromatora ustawiamy na 1mm, natomiast bęben zmian długości fali na podziałkę 4.0. Teraz należy oświetlić szczelinę wyjściową strumieniem pochodzącym z żarówki mikroskopowej . Przy pomocy zasilacza ustalamy wartość napięcia na fotorezystorze zgodnie z uwagami osoby prowadzącej laboratorium.. Następnie zwiększamy nastawy bębna monochromatora co 5 działek na skali opisanej na jego obwodzie, notując przy tym wskazania mikroamperomierza. Po każdej zmianie nastawu bębna odczyt wartości natężenia prądu dokonujemy po czasie niezbędnym do ustalenia się procesów nierównowagowych w obwodzie i półprzewodniku. Czas ten również podaje osoba prowadząca laboratorium. Dodatkowo po każdej zmianie nastawu bębna kontrolujemy, i w miarę potrzeby korygujemy, przy pomocy zasilacza, napięcie U. Pomiary należy przeprowadzać aż do momentu w którym mikroamperomierz przestanie wskazywać przepływ prądu w obwodzie.

3. Wyniki pomiarów

Otrzymane wyniki zostały zestawione w tabeli 1 (próbka nr. 4) i tabeli 2 (próbka 6).

Położenie skali bębna	l [mm]	I [mA]	lmax [mm]	I' [mA]	C'l
4.10	0.768	0.9			0.042
4.15	0.725	1.22			0.057
4.20	0.685	3.85			0.179
4.25	0.646	8			0.372
4.30	0.62	12			0.558
4.35	0.586	17.8			0.828
4.40	0.564	21.5			1
4.45	0.544	20			0.93
4.50	0.523	16.2			0.753
4.55	0.503	13	0.564	21.5	0.605
4.60	0.484	8.2			0.38
4.65	0.463	3.76			0.175
4.70	0.445	1.6			0.074
4.75	0.427	0.65			0.03
4.80	0.408	0.17			0.008
4.85	0.402	0.08			0.004
4.90	0.384	0.056			0.003
4.95	0.368	0.02			0.0009

Tabela 1 (próbka numer 4)

Położenie skali bębna	l [mm]	I [mA]	lmax [mm]	I' [mA]	C'l
4.10	0.768	0.0389			0.004
4.15	0.725	0.2			0;.02
4.20	0.685	1.1			0.111
4.25	0.646	2.7			0.273
4.30	0.62	5.01			0.506
4.35	0.586	7.6			0.768
4.40	0.564	9.2			0.929
4.45	0.544	9.9			1
4.50	0.523	9	0.544	9.9	0.909
4.55	0.503	7.1			0.717
4.60	0.484	4.75			0.480
4.65	0.463	2.76			0.279
4.70	0.445	1.2			0.121
4.75	0.427	0.42			0.042
4.80	0.408	0.11			0.011
4.85	0.402	0.02			0.002

Tabela 2 (próbka numer 6)

4. Obliczenia

Długość fal świetlnych odpowiadających poszczególnym nastawom bębna odczytujemy z krzywej dyspersji załączonej w skrypcie i wpisujemy do tabel. Na podstawie danych zawartych w tabelach numer 1 i 2 sporządzamy wykres zależności I = f(l), z którego następnie określimy I' oraz odpowiadającą mu długość fali l_MAX.

Wykres zależności I = f(l) dla próbki nr 4

Wykres zależności I = f(l) dla próbki nr 6

Gdy poznamy wartość I' z równania obliczymy dla poszczególnych długości fal względną czułość widmową fotorezystora. Zależność tę również przedstawimy w formie wykresu .

Wykres zależności dla próbki numer 4

Wykres zależności dla próbki numer 6

6

---