PRACOWNIA PRZETWORNIKÓW FOTOELEKTRYCZNYCH

1
OPTOELEKTRONIKA
ZJAWISKO FOTOWOLTAICZNE NA ZŁĄCZU P-N
Cel ćwiczenia:
Wyznaczenie
podstawowych
parametrów
spektralnych detektora
fotowoltaicznego.
Opis stanowiska:
Oświetlacz - lampa halogenowa (nap. zas. do 16V).
Zasilacz halogenu Z 3020.
Zwierciadła M1 i M2
Modulator o częstotliwości modulowania f ~ 8 Hz
Monochromator - SPM2 z pryzmatami Si - 0.4 m do 3.5 m, G60 - j.w.
NaCl – 0.3m do 10 m
Detektor odniesienia - termoelement VTh-1 z okienkiem CaF , o
czułości stałoprądowej 2V/W, stałej czasowej 15 ms i powierzchni
światłoczułej 7 mm2 .
Nanowoltomierz selektywny 233 do pomiaru fotonapięcia badanego detektora lub
fotonapięcia z termopary.
Wzmacniacz pomiarowy – szerokopasmowy woltomierz AC, do pomiaru fotonapięcia z
termopary.
Badany detektor. Każdy detektor ma inną powierzchnię światłoczułą. Należy zmierzyć tę
powierzchnię przy pomocy mikroskopu.
Kat bryłowy wejściowy monochromatora :
2
OPTOELEKTRONIKA
Przebieg ćwiczenia:
1. Pomiar charakterystyki spektralnej czułości względnej detektora.
a) Zmierzyć fotonapięcie na wyjściu badanego detektora w funkcji długości fali w
zakresie od 0.52 m aż do długości fali przy której sygnał spadnie do poziomu tła.
-
zestawić układ wg. schematu przedstawionego na rys.1, stosując jako źródło światła
halogen. Zmierzyć wejściowy kąt bryłowy wiązki padającej na szczelinę wejściową
monochromatora i porównać z kątem bryłowym monochromatora. W tym celu należy
zmierzyć średnicę zwierciadła M1 oraz jego odległość od szczeliny.
Rys.1.
-
ustawić na zasilaczu halogenu napięcie U = 6V
-
otworzyć szczeliny monochromatora. Ustawić szerokość szczelin monochromatora na
1 mm
-
oświetlić detektor światłem o długości fali z zakresu widzialnego. W tym celu wybrać
odpowiednią długość fali monochromatora i ustawić badany detektor w ognisku
zwierciadła M2, tak aby optymalnie go oświetlić.
-
włączyć modulator. Modulator uruchamia się popychając ‘skrzydełka’ zgodnie z
kierunkiem ruchu wskazówek zegara.
-
połączyć wyjście detektora z wejściem NANOWOLTOMIERZA
-
ustawić maksymalny zakres pomiarowy dla nanowoltomierza.
-
w obecności prowadzącego włączyć NANOWOLTOMIERZ
SELEKTYWNEGO
SELEKTYWNY
233
233
do
sieci.
-
jeśli na największym zakresie pomiarowym sygnał jest bliski zeru, zmniejszać
skokowo zakres pomiarowy, tak aby wychylenie wskazówki osiągnęło wartość równą
ok. 2/3 zakresu pomiarowego.
-
skorygować położenie detektora tak, aby uzyskać maksymalne napięcie na wyjściu.
3
OPTOELEKTRONIKA
-
ustawić pokrętło częstotliwości nanowoltomierza w takim położeniu, przy
którym sygnał na wyjściu detektora jest największy ( f  8.3Hz)
-
wykonać pomiary.
b) Zmierzyć charakterystykę spektralną źródła i monochromatora dla tych samych
długości fal dla których zmierzono sygnał z badanego detektora. W tym celu należy
zmierzyć fotonapięcie na wyjściu detektora termicznego, którym w tym układzie
pomiarowym jest termopara.
-
zestawić układ wg. schematu przedstawionego na rys.1
-
ustawić na zasilaczu halogenu napięcie U = 16V
-
ustawić szczelinę monochromatora na 1 mm
-
wstawić termoparę na miejsce detektora i oświetlić ją światłem o długości fali z
zakresu widzialnego.
-
połączyć wyjście termopary z wejściem WZMACNIACZA POMIAROWEGO WP
lub NANOMIERZA SELEKTYWNEGO 233
-
w obecności prowadzącego włączyć WP lub nanowoltomierz do sieci
- wykonać pomiary, podobnie jak dla detektora badanego.
c) Podzielić sygnał zmierzony na wyjściu detektora UD przez sygnał z termopary UT.
Wyznaczyć maksimum tego ilorazu.
3)
Kalibracja detektora
Dla długości fali odpowiadającej maksimum czułości względnej detektora ( wzór (1))
wyznaczyć wartość bezwzględną czułości. W tym celu należy zestawić układ wg. schematu
przedstawionego na rys.2. i w obecności prowadzącego zmierzyć sygnał na wyjściu
detektora badanego a następnie termopary ustawiając je w tej samej odległości od szczeliny
wyjściowej monochromatora tak, aby cała powierzchnia była oświetlona.
Rys.2.
4
OPTOELEKTRONIKA
Następnie wykonać pomiary napięcia na wyjściu detektora badanego i
termicznego dla tej długości fali.
4) Pomiar rezystancji różniczkowej badanego detektora fotowoltaicznego.
Zmierzyć charakterystykę prądowo – napięciową ciemną detektora w zakresie od –10mV do
+10mV. Z zakresu prostoliniowego wyznaczyć jego oporność ciemną różniczkową ze wzoru
(4).
Opracowanie wyników:
1. Wykreślić charakterystykę spektralną źródła światła + monochromator., tzn.
narysować wykres napięcia na wyjściu detektora termicznego w funkcji długości fali.
2. Obliczyć czułość względną detektora korzystając ze wzoru (1). Narysować wykres
zależności czułości względnej detektora fotowoltaicznego od długości fali.
3. Z odcięcia długofalowej krawędzi czułości względnej wyznaczyć przerwę
energetyczną
materiału
detektora. Zidentyfikować materiał półprzewodnikowy z którego
wykonano detektor na podstawie wykładu 6.
4. Dla długości fali, dla której wykonano kalibrację obliczyć wydajność kwantową ze
wzoru (3).
5. Zakładając dominację szumów termicznych obliczyć detekcyjność znormalizowaną
detektora dla tej długości fali ze wzoru (5).
6. Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników. Porównać parametry badanego
detektora z odpowiednimi danymi literaturowymi dla innych fotoprzetworników na podobny
zakres spektralny.
7. Obliczyć bryłowy kąt wejściowy układu lustro-szczelina wejściowa monochromatora.
Porównać z kątem bryłowym wejściowym monochromatora.
Literatura:
Wykłady: 5,6, 8 i 9 „ Źródła i detektory”
1.J.Piotrowski, A.Rogalski, "Półprzewodnikowe detektory podczerwieni"
WNT 1985, rozdz.1,2 i 11.
5
OPTOELEKTRONIKA
B. FOTODIODA W MODZIE PC.
Wprowadzenie.
Najprostszym sposobem włączenia fotodiody w obwód elektryczny jest bezpośrednie
podłączenie do woltomierza lub amperomierza. Po oświetleniu fotosygnał mierzy się w
pierwszym przypadku jako napięcie rozwarcia a w drugim – jako prąd zwarcia. Na rys.3
przedstawiono charakterystykę prądowo – napięciową nieoświetlonej diody i po jej
oświetleniu. Na rysunku zaznaczono prąd zwarcia Isc i napięcie rozwarcia Uoc.
Rys. 3. Charakterystyka I-U ciemnej i oświetlonej diody półprzewodnikowej.
Jednakże w celu uzyskania większego fotosygnału, fotodioda często pracuje w tzw. modzie
PC. PC to skrót od angielskiego słowa „photoconductivity”, czyli fotoprzewodnictwo. Nazwa
sugeruje, że wówczas fotodioda pracuje w takim układzie jak detektor fotoprzewodzący. I
rzeczywiście tak jest. Na rys. 4 przedstawiono przykładowy schemat układu w którym pracuje
detektor fotowoltaiczny w modzie PC. Fotodiodę polaryzuje się napięciem stałym w kierunku
zaporowym
(„+” wyjścia zasilacza podłącza się do katody diody). Fotonapięcie mierzy się
jako spadek napięcia na oporniku RL. Tak mierzone fotonapięcie jest proporcjonalne do
fotoprądu. Ponieważ fotoprąd dla fotodiody zależy wprost proporcjonalnie od natężenia
oświetlenia światła padającego na diodę, to ten sposób pomiaru fotosygnału jest dużo bardziej
korzystny od pomiaru napięcia rozwarcia. Ponadto jeśli wartość RL jest duża, to fotonapięcie
jest też bardzo duże. Oczywistym jest, że z punktu widzenia pomiarów słabych sygnałów jest
6
OPTOELEKTRONIKA
to wygodniejsze, niż pomiar małego prądu zwarcia. Wadą jest wzrost poziomu
szumów, związanych z prądem ciemnym spowodowanym polaryzacją diody.
Rys.4. Fotodioda pracująca w modzie PC.
Przebieg ćwiczenia.
1. Pomiar charakterystyki świetlnej fotodiody pracującej w modzie PC.
a) Wyłączyć modulator.
b) Ustawić fotodiodę w ognisku wiązki światła z monochromatora.
c) Dla długości fali odpowiadającej maksimum czułości względnej fotodiody (
zmierzonej wcześniej ) zmierzyć napięcie rozwarcia i prąd zwarcia fotodiody
przy pomocy miernika METEX.
d) Podłączyć fotodiodę do układu polaryzującego, zgodnie ze schematem
przedstawionym na rys. 4
e) W obecności prowadzącego spolaryzować fotodiodę napięciem 0.1V,
pamiętając aby „+” zasilacza został podłączony do katody ( zwykle katoda
fotodiody znajduje się bliżej wypustu znajdującego się na obudowie diody).
f) Zmierzyć fotonapiecie na oporniku UL dla napięć polaryzujących od 0.1V do
1V, co 0.1V.
Opracowanie wyników
1. Narysować zależność fotonapięcia UR od napięcia polaryzującego.
Literatura: Wykład 6, 7 i 9 „Źródła i detektory”
7
OPTOELEKTRONIKA
WZORY KONIECZNE DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA.
Detektory fotonowe.
1. Spektralna czułość napięciowa detektora fotonowego Rv():
Rv() = RvT
U d AT
U T Ad
[V/W]
(1)
gdzie RvT() – czułość spektralna detektora termicznego (termopary lub detektora
piroelektrycznego), AT i Ad – oświetlone powierzchnie detektora termicznego i detektora
fotonowego.
2. Jak uwzględnić wzmocnienie przedwzmacniacza?
Jeśli napięcie na wyjściu detektora jest wzmocnione przez wzmacniacz o wzmocnieniu k
[dB] i jego wartość zmierzona wynosi Um., wówczas napięcie rzeczywiste na detektorze Ud
jest równe:
k = 10 log
U
U 2m
 20 log m
2
Ud
U d

log
Um
k

U d 20

Um = Ud10k/20 
Ud = Um 10-k/20
( Np. jeśli k = 20 
(2)
Ud = Um/10 )
3. Wydajność kwantowa detektora fotowoltaicznego:

hc
1
η  R v ( ) 100 [%]
eλ
R
(3)
gdzie h –stała Plancka, c – prędkość światła, e – ładunek elektronu,  - długość fali, Rv() spektralna czułość napięciowa detektora, R- rezystancją różniczkową detektora
nieoświetlonego.
1
 dI 
R

 dU U 0
(4)
Aby obliczyć bezwzględną wartość wydajności kwantowej dla detektora
fotoprzewodzącego, należy uwzględnić jeszcze współczynnik wzmocnienia G ( patrz notatki
do wykładu 9), jednakże zależność funkcyjna  ( ) będzie określona poprzez iloraz Rv()/
zgodnie ze wzorem (3).
4. Detekcyjność znormalizowana
Przy założeniu, że dominują szumy termiczne detekcyjność znormalizowana detektora
fotowoltaicznego wyraża się wzorem:
8
OPTOELEKTRONIKA
D*
e  RA 
1/ 2


2hc  kT 
mHz1/2/W]
(5)
gdzie R jest rezystancją różniczkową detektora nieoświetlonego, k – stałą Boltzmanna, T –
temperaturą pracy detektora. W tym wzorze wydajność kwantowa nie jest podana w %, czyli
przed podstawieniem do wzoru (5) należy wartość obliczoną ze wzoru (3) podzielić przez
100.
Pytania kontrolne
1. Model pasmowy ciał stałych.
2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.
3. Złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa.
4. Oddziaływanie światła z pólprzewodnikiem.
5. Efekt fotowoltaiczny.
6. Parametry charakteryzujące właściwości detektorów promieniowania.
9
OPTOELEKTRONIKA