PRACOWNIA PRZETWORNIKÓW FOTOELEKTRYCZNYCH

1
Źródła i detektory
III. Wyznaczenie parametrów detektora fotowoltaicznego
Cel ćwiczenia:
Wyznaczenie
podstawowych
parametrów
spektralnych detektora
fotowoltaicznego.
Opis stanowiska:
Oświetlacz - lampa halogenowa (nap. zas. do 16V).
Zasilacz halogenu Z 3020.
Zwierciadło M1
Modulator o częstotliwości modulowania f ~ 8 Hz
Monochromator - SPM2 z pryzmatem Si - 0.4 m do 3.5 m
Detektor odniesienia - termoelement VTh-1 z okienkiem CaF2 , 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, alternatywnie do pomiaru
fotonapięcia z termopary.
Badany detektor.
Kąt bryłowy wejściowy monochromatora 1/8
2
Źródła i detektory
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 naprzeciwko
szczeliny wyjściowej monochromatora
-
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
sieci.
SELEKTYWNEGO
SELEKTYWNY
233
233
do
3
Źródła i detektory
-
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.
-
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.1. 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.
Następnie wykonać pomiary napięcia na wyjściu detektora badanego i termicznego dla tej
długości fali.
Opracowanie wyników:
1. Wykreślić charakterystykę spektralną źródła światła + monochromator., tzn.
narysować wykres napięcia na wyjściu detektora termicznego w funkcji długości fali.
4
Źródła i detektory
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.
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). Założyć, że rezystancja różniczkowa ciemnego
detektora jest równa 10M
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:
1. Wstęp teoretyczny do cw.5.
2. Wykłady: 5,6, 8 i 9 „ Źródła i detektory”
3. J.Piotrowski, A.Rogalski, "Półprzewodnikowe detektory podczerwieni"
WNT 1985, rozdz.1,2 i 11.
WZORY KONIECZNE DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA.
Detektory fotonowe.
1. Spektralna czułość napięciowa detektora fotonowego Rv():
𝑅v(λ) =
𝑈𝑑
𝑃λ
= 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, 𝑃λ - moc (strumień) padającego promieniowania o długości fali λ, 𝑈𝑑 - napięcie
na wyjściu badanego detektora, 𝑈𝑇 - napięcie na wyjściu termopary.
2. Jak uwzględnić wzmocnienie przedwzmacniacza?
5
Źródła i detektory
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:
U
U 2m
k = 10 log 2  20 log m
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- rezystancja różniczkowa detektora
nieoświetlonego.
4. Detekcyjność znormalizowana
Przy założeniu, że dominują szumy termiczne detekcyjność znormalizowana detektora
fotowoltaicznego wyraża się wzorem:
D*
e  RA 


2hc  kT 
1/ 2
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. Efekt fotowoltaiczny.
2. Definicje parametrów charakteryzujących właściwości detektorów promieniowania
(czułość, wydajność kwantowa, detekcyjność definicje (wykład 8 Źródła i detektory).