Ćwiczenie6

LABORATORIUM ELEKTRONIKI
ĆWICZENIE 5
PRZYRZĄDY OPTOELEKTRONICZNE
KATEDRA SYSTEMÓW MIKROELEKTRONICZNYCH
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z charakterystykami statycznymi i parametrami
wybranych półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych. Przedmiotem ćwiczenia
jest fotodioda krzemowa, diody elektroluminescencyjne oraz wskaźnik cyfrowy zbudowany z
wykorzystaniem takich diod. Ponadto w trakcie ćwiczenia badany jest transoptor, w którym
źródłem promieniowania jest dioda elektroluminescencyjna, zaś fotodetektorem –
fototranzystor bipolarny.
2. WPROWADZENIE
2.1.
Charakterystyki statyczne i parametry fotodiody krzemowej
Fotodioda krzemowa moŜe być wykorzystana jako detektor promieniowania
widzialnego i podczerwonego. W ćwiczeniu wykonuje się pomiary charakterystyk
statycznych I (U ) fotodiody, odpowiadających jej pracy w roli fotodetektora, tzn. przy
polaryzacji zaporowej. Dodatkowo, mierzy się napięcie fotoelektryczne związane z
zastosowaniem fotodiody jako ogniwa fotoelektrycznego, czyli źródła mocy przetwarzającego
bezpośrednio energię promieniowania elektromagnetycznego w energię elektryczną.
Charakterystyki statyczne fotodiody mogą być opisane następującym równaniem
 VU

I (U , E ) = I S 0 ⋅  e T − 1 − S E ⋅ E ,




(1)
gdzie E oznacza natęŜenie oświetlenia, S E to czułość prądowa fotodiody, natomiast I S 0
oznacza prąd ciemny fotodiody, VT to potencjał elektrokinetycznm. Jak widać ze wzoru (1),
w prądzie fotodiody moŜna wyróŜnić dwa składniki: pierwszy jest identyczny jak prąd diody
idealnej ze złączem p-n, drugi, nazwany fotoprądem, wynika z oświetlenia i zaleŜy liniowo od
natęŜenia oświetlenia E .
I
E=0
U
Iz (E1)
E1>0
Uf (E1)
E2>E1
Rys. 1 Charakterystyki statyczne I (U ) fotodiody
Charakterystyki I (U ) fotodiody, odpowiadające zaleŜności (1), pokazano na Rys. 1.
Jak widać, parametrem rodziny charakterystyk jest natęŜenie oświetlenia E wyraŜone w
jednostkach fotometrycznych (luxach).
2
W zaleŜności I (U ) oświetlonej fotodiody moŜna wyróŜnić dwa punkty charakterystyczne:
− prąd zwarciowy I Z , tzn. prąd fotodiody przy U = 0 , liniowo zaleŜny od natęŜenia
oświetlenia E i opisany zaleŜnością
I Z = −SE ⋅ E ,
−
(2)
napięcie fotoelektryczne U f , tzn. napięcie przy I = 0 , zaleŜne logarytmicznie od natęŜenia
oświetlenia E
 S ⋅E 
U f = VT ln 1 + E
.
IS 0 

(3)
Czułość prądowa fotodiody jest zdefiniowana następująco:
SE =
∂I
.
∂E U = const
(4)
Czułość ta zaleŜy od długości fali padającego promieniowania, o czym mówi charakterystyka
widmowa elementu. Dla fotodiod krzemowych optymalna długość fali, przy której czułość jest
największa, odpowiada zakresowi bliskiej podczerwieni. Jednak elementy krzemowe posiadają
równieŜ odpowiednio duŜą czułość na światło białe. ZaleŜność czułości od punktu pracy (w
zakresie zaporowym) jest słaba. Przez fotodiodę nieoświetloną, spolaryzowaną zaporowo,
płynie tzn. prąd ciemny I S 0 . W przypadku rzeczywistej fotodiody krzemowej dominującym
składnikiem prądu wstecznego jest prąd generacyjny, silnie zaleŜny od temperatury.
2.2.
Charakterystyki i parametry diod elektroluminescencyjnych
Diody elektroluminescencyjne (LED-y), powszechnie stosowane jako źródła
promieniowania, są zbudowane z materiałów półprzewodnikowych, w których występuje
rekombinacja promienista nośników swobodnych. Są to, dla przykładu, arsenek galu GaAs,
fosforek galu GaP i arsenofosforek GaAsP. Emisja promieniowania, wywołana zjawiskiem
elektroluminescencji, zachodzi przy polaryzacji przewodzącej diody. Długość fali emitowanej
(barwa świecenia) zaleŜy od uŜytego półprzewodnika oraz od poziomu jego domieszkowania.
Charakterystyki statyczne LED-a moŜna aproksymować dla kierunku przewodzenia
zaleŜnością I (U ) identyczną, jak dla diody idealnej ze złączem p-n. Ze względu na większe
wartości szerokości przerwy energetycznej w półprzewodnikach uŜytych do konstrukcji LEDów, wartość spadku napięcia przy typowej wartości prądu jest w LED-ach większa niŜ w
diodach krzemowych.
Istnieje szereg definicji sprawności LED-ów. Najistotniejsza, z punktu widzenia
uŜytkownika, jest sprawność rozumiana jako stosunek mocy promieniowania wyemitowanego
przez element do mocy elektrycznej dostarczonej do elementu. Ta wielkość zaleŜy od wielu
czynników, m.in. od konstrukcji diody, i jej wartość typowo wynosi co najwyŜej kilka procent.
Okazuje się więc, Ŝe w celu uzyskania oczekiwanego efektu, tj. emisji promieniowania o
odpowiedniej mocy (światłości), naleŜy do elementu dostarczyć względnie duŜą moc
elektryczną. Szczególnie niekorzystnie pod tym względem wypada porównanie LED-ów z
elementami ciekłokrystalicznymi.
3
2.4.
Charakterystyki i parametry transoptora
Transoptor jest czwórnikiem składającym się ze źródła promieniowania (rolę tę moŜe
pełnić LED), odcinka światłowodu oraz fotodetektora. Fotodetektorem moŜe być
fototranzystor bipolarny, typowo pracujący bez wyprowadzenia elektrody bazy. Ze względu
na dopasowanie charakterystyk widmowych, LED jest wykonany przewaŜnie z arsenku galu,
zaś fototranzystor z krzemu.
Statyczne charakterystyki wejściowe I1 (U1 ) transoptora to charakterystyki I (U )
LED-a spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. Natomiast statyczne charakterystyki
wyjściowe transoptora I 0 (U 0 ) , w przypadku uŜycia fototranzystora bipolarnego, to rodzina
jego charakterystyk wyjściowych I C (U CE ) , gdzie parametrem jest prąd I LED-a, czyli prąd
wejściowy I1 transoptora.
WaŜnym parametrem transoptora jest współczynnik wzmocnienia prądowego K I
(nazywany teŜ przekładnią prądową) zdefiniowany następująco
KI =
I0
I1
,
(5)
U 0 = const
gdzie I 0 oznacza prąd wyjściowy (prąd kolektora I C fototranzystora), zaś I1 to prąd
wejściowy (prąd I LED-a spolaryzowanego w kierunku przewodzenia). PoniewaŜ transoptor
bardzo często wykorzystuje się do separacji galwanicznej obwodu wejściowego od
wyjściowego, więc wartość współczynnika wzmocnienia K I mogą być mniejsze od 1, a w
przypadku uŜycia fotodiody jako fotodetektora, są nawet znacznie mniejsze.
Na Rys. 2 pokazano odpowiedź transoptora, tj. przebieg czasowy napięcia uCE ( t )
fototranzystora, na pobudzenie LED-a przebiegiem prostokątnym o duŜej amplitudzie. Inercja
elektryczna transoptora wynika z inercji elektrycznej elementów półprzewodnikowych uŜytych
do jego konstrukcji. Jak widać z Rys. 2, na podstawie przebiegu napięcia uCE ( t ) moŜna
zdefiniować czas włączenia tON oraz czas wyłączenia tOFF transoptora.
e(t)
uCE(t)
t
UCE
0.9 UCE
0.1 UCE
tON
tOFF
Rys. 2 Przebieg wejściowy e ( t ) oraz wyjściowy uCE ( t ) przy pomiarze parametrów impulsowych
transoptora
4
3. ZADANIA
3.2.
Zadania do wykonania w laboratorium
Z1. Pomiar charakterystyk statycznych fotodiody
W układzie przedstawionym na Rys. 3 pomierzyć charakterystyki statyczne I (U ) fotodiody
krzemowej BPYP35 w zakresie zaporowym, przy następujących wartościach natęŜenia
oświetlenia E1 = 0.05 klx , E2 = 0.61 klx oraz E3 = 1 klx . Dla wartości natęŜenia E2 i E3
zmierzyć wartość natęŜenia prądu zwarciowego I Z .
Z2 Po rozwarciu obwodu zasilania fotodiody (warunek I = 0 zapewnia wyłączenie
amperomierza) pomierzyć wartość napięcia fotoelektrycznego U f przy wartościach natęŜenia
oświetlenia E2 i E3 .
I
14
15
19
22
A
A
6
5.1kΩ
7
V
U
RZN
0
+
20
Imax=5mA
21
TM1
15 V
Rys. 3 Układ do pomiaru charakterystyk statycznych I (U ) fotodiod
UWAGA. Badana fotodioda jest zainstalowana w ciemni optycznej (Rys. 4) stanowiącej
podzespół w postaci zaczernionej rurki wraz ze źródłem światła w postaci Ŝarówki zasilanej
napięciem 6 V. Na podstawie tabeli skalowania Tab. 1 moŜna określić odległość D fotodiody
od źródła światła zapewniające wymagane wartości natęŜenia oświetlenia E .
19
6V
20
D
Rys. 4 Fotodioda w ciemni optycznej
Tab. 1. Tabela skalowania ciemni optycznej
E [ klx ]
1.35
1.0
0.61
0.38
0.17
0.11
0.07
0.05
D [ mm ]
10
12
20
30
50
70
90
110
5
Z3. Badanie diod elektroluminescencyjnych
W układzie pomiarowym pokazanym na Rys. 5 zmierzyć spadki napięcia na diodach
elektroluminescencyjnych D1 (zielona), D2 (czerwona), D3 (pomarańczowa) przy wartości
prądu przewodzenia I F = 20mA , odpowiadającej wartości parametru charakterystycznego.
Zmniejszać wartość prądu przewodzenia aŜ do wartości odpowiadającej subiektywnie
określonemu progowi świecenia. Zanotować powyŜsze wartości prądu i napięcia.
+
300Ω
LED
Z
A4
D1
D2
6V
V4
D3
TM4
–
Rys. 5 Układ do pomiaru charakterystyk diod LED
Z4. Badanie wskaźnika siedmiosegmentowego
Dla wskaźnika cyfrowego LTS547 w układzie pomiarowym pokazanym na Rys. 6 powtórzyć
pomiary z punktu Z3 (dla segmentu a). Zanotować wyniki pomiarów. Ponadto oszacować
minimalną moc potrzebną do zadowalającego wyświetlenia cyfry „5”.
300Ω
segment
LTS 547
V3
Z
A3
+
6V
TM4
–
Rys. 6. Układ do badania segmentu wskaźnika cyfrowego
Badanie transoptora
Z5. W układzie pokazanym na Rys. 7 pomierzyć charakterystyki wyjściowe I 0 (U 0 ) przy
I1 = 5, 7.5,10 [ mA] transoptora LTV817.
300Ω
A1
6V
+
A2
V2
TM4
6V
LTV817
Rys. 7. Układ do pomiaru charakterystyk transoptora LTV817
6
Z6. W układzie pokazanym na Rys. 8 pomierzyć czas włączenia tON i czas wyłączenia tOFF
transoptora (definicje tych czasów – patrz Rys. 2). Zaobserwować niezniekształcony przebieg
wyjściowy uCE ( t ) dla częstotliwości przebiegu wejściowego f = 1kHz oraz odszkicować
zniekształcony przebieg wyjściowy przy częstotliwości przebiegu wejściowego f = 3kHz .
CH1
CH2
300Ω
5.1kΩ
TM4
G432
6V
LTV817
Rys. 8. Układ do obserwacji pracy impulsowej transoptora
3.3.
ZADANIA DO WYKONANIA W DOMU.
Z1 Wykreślić pomierzone charakterystyki statyczne I (U ) fotodiody. Obliczyć czułość
prądową fotodiody S E na podstawie pomierzonych wartości prądu wstecznego przy napięciu
U = −10V .
Z2. Na podstawie obliczonej wartości czułości prądowej fotodiody obliczyć wartość napięcia
fotoelektrycznego U f przy E = 1 klx , do obliczeń przyjąć wartość katalogową prądu
ciemnego I S 0 = 0.2 µ A .
Z3. Wykreślić charakterystyki wyjściowe transoptora I 0 (U 0 ) . Wyznaczyć współczynnik
wzmocnienia prądowego K I tego elementu przy napięciu U 0 = 4V oraz I1 = 10mA .
7