Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Charakteristiky optoelektronických součástek

Transkript

1 FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM Ústav fyziky FEKT VUT BRNO Jméno a příjmení Petr Švaňa Ročník 1 Předmět IFY Kroužek 38 ID Spolupracoval Měřeno dne Odevzdáno dne Ladislav Šulák Příprava Opravy Učitel Hodnocení Lab. skup. A Název úlohy Charakteristiky optoelektronických součástek Číslo úlohy Zadání úkolu Změřte voltampérovou, luxampérovou a směrovou vyzařovací charakteristiku luminiscenční diody, přenosovou charakteristiku optronu. Z grafu V-A charakteristiky určete součinitel n a z přenosové charakteristiky určete kmitočtový rozsah optronu. Teorie Luminiscenční dioda Luminiscenční dioda (LED dioda Light Emitting Diode) je zdrojem elektromagnetického záření v oblasti viditelného světla a v blízké infračervené oblasti. Základním materiálem pro výrobu luminiscenčních diod jsou polovodičové sloučeniny typu AIIIBV, jako například GaAs, GaP, GaAsP a další. Je tvořena přechodem PN, který je v provozu polarizován v propustném směru. PN přechod se skládá z polovodiče typu P a polovodiče typu N. V polovodiči P jsou hlavním nosičem elektrického náboje díry, v polovodiči typu N elektrony.když nosiče elektromagnetického náboje přecházejí přes PN přechod, vzniká záření v LED diodě pozorovatelné jako energie fotonu (= viditelné světlo). Frekvence emitovaných fotonů splňuje podmínku ħ ω=eu, h=6, J s, ħ= h kde Planckova konstanta 2 π, elementární náboj e=1, C a kde eu je rozdíl Fermiho kvazienergií oblastí P a N. Charakteristiky luminiscenčních diod 1) Voltámpérová charakteristika luminiscenční diody popisuje vztah mezi napětím na diodě U 1 a proudem I 1, který diodou protéká. Voltampérovou charakteristiku reálné diody lze přibližně popsat rovnicí I 1 = I 0 e ( eu nkt ) Zde I 0 je nasycený závěrný proud, Boltzmannova konstanta k a n číselný součinitel závislý na mechanismu transportu, pro nějž platí 1< n< 2.

2 2) Luxampérová charakteristika luminiscenční diody je závislost zářivého toku Φ, který je diodou emitován na proudu I 1, jež přitom diodou protéká Φ=Φ( I 1 ). Na fotodiodě snímající záření diody vzniká napětí přímo úměrné dopadajícímu světelnému toku a tedy i zářivému toku, jaký je LED diodou emitován. Platí =konst.φ. Tvar charakteristiky se tedy nezmění, nahradíme-li zářivý tok snadněji měřitelným napětím a jako luxampérovou charakteristiku budeme chápat závislost = ( I 1 ). Optron 3) Směrová vyzařovací charakteristika přináší informace o nerovnoměrnosti, s níž luminiscenční dioda září do jednotlivých směrů v prostoru. Závislost Φ=Φ(φ ), můžeme podobně jako u luxampérové charakteristiky nahradit závislostí = (φ ). 4) Spektrální charakteristika popisuje spektrum vysílaného záření, Φ=Φ(λ). Je to informace o vlnových délkách záření, jež dioda emituje. Také zde lze zářivý tok nahradit výstupním napětím na snímacím elementu. = (λ). Kombinací LED diody a fotodiody vzniká optoelektronická součástka optron. V praxi se většinou používá místo fotodiody fototranzistor. Pomocí optronu je požné dva obvody galvanicky oddělit, a přitom zachovat možnost přesnosu signálu mezi nimi. Proměnným signálem se moduluje proud procházející LED diodou. Na výstupní straně se sníma proměnná složka napětí na fotodiodě (fototranzistoru). Přenosovou charakteristikou optronu rozumíme závislost U ' f =U ' f ( f ) při I 1 =konst., kde f je kmitočet harmonické složky přičtené k proudu I1 a U'f je střídavá složka napětí na výstupu optronu. Přenosová charakteristika informuje o šířce frekvenčního pásma, tedy o kmitočtech, které je optron schopný přenášet, a o zkreslení, které při tomto přenosu vzniká. Měření Veškeré nastavování přístrojů se provádí pomocí počítače a programu Optoelektronické součástky 28. Při měření jsme používali přípravek, ve kterém je umístěna luminiscenšní dioda, a který otáčením fotodiody okolo luminiscenční diody dokáže měnít úhel φ ve dvou vzájemně kolmých rovinách daných otáčením luminiscenční diody kolem podélné osy. Dále byly použity zdroje střídavého a stejnosměrného proudu.

3 Postup měření Meření voltampérové a luxampérové charakteristiky Tyto dvě charakteristiky se měří současně. Postupně jsme na zdroji pomocí počítačového programu zvyšovali hodnotu proudu, který procházel diodou. Hodnoty proudu jsme nastavovali z doporučeného intervalu 1µA 20mA. Bylo potřeba nameřit alespoň 20 hodnot. Z hodnot proudu procházejícího diodou a z napětí na ní naměřeném jsme vytvořili graf Voltamérové charakteristiky LED diody a z hodnot proudu procházejícího fotodiodou a z napětí na ní naměreném jsme sestrojili graf luxamérové charakteristiky LED diody. Měření směrové vyzařovací charakteristiky LED V programu jsme nastavili proud procházející diodou na 2,48 ma. Pro úhel α=0 jsme nastavovali úhel fotodiody postupně na hodnoty φ =0,10, 20, 30,..., 180 a tento postup jsme aplikovali i na úhly α=30,α=60, α=90. Z výsledků jsme určili směrovou vyzařovací charakteristiku LED diody a vytvořili jsme její graf směrový vyzařovací diagram. Měření přenosové charakteristiky optronu V programu jsme nastavili proud procházející diodou na 5,93 ma. Poté jsme nastavovali postupně frekvenci harmonického signálu, kterém bylo modulováno stejnosměrné napětí Uf na fotodiodě. Toto napětí mělo dvě složky stejnosměrnou a střídavou, která odpovídala signálu na výstupu RC generátoru. Postupně jsme hodnotu této frekvence nastavovali v rozmezí 10Hz až 300kHz. Z naměřených hodnot jsme určili přenosovou charakteristiku optronu a sestrojili její graf a do něj jsme vyznačili vypočítaný kmitočtový rozsah. Naměřené hodnoty: Meření voltampérové a luxampérové charakteristiky Iled [A] Uled [V] Udet [V] 9,925E-7 1,402E+0 7,015E-6 1,985E-6 1,446E+0 2,465E-6 4,983E-6 1,499E+0 1,646E-5 7,982E-6 1,525E+0 3,841E-5 9,988E-6 1,537E+0 6,008E-5 1,199E-5 1,546E+0 8,699E-5 1,499E-5 1,558E+0 1,321E-4 1,799E-5 1,568E+0 1,915E-4 2,000E-5 1,573E+0 2,349E-4 2,998E-5 1,594E+0 5,162E-4 4,998E-5 1,619E+0 1,295E-3 7,498E-5 1,639E+0 2,636E-3 9,964E-5 1,655E+0 4,563E-3 1,497E-4 1,674E+0 8,798E-3 1,997E-4 1,689E+0 1,362E-2 2,498E-4 1,700E+0 1,876E-2 4,996E-4 1,736E+0 4,419E-2 7,498E-4 1,760E+0 6,579E-2 9,996E-4 1,777E+0 8,332E-2 1,050E-3 1,781E+0 8,644E-2 1,500E-3 1,805E+0 1,098E-1

4 Měření přenosové charakteristiky optronu f [Hz] 9,994E+0 4,999E+1 9,999E+1 2,000E+2 5,000E+2 1,000E+3 2,500E+3 5,000E+3 1,000E+4 2,500E+4 5,000E+4 1,000E+5 1,500E+5 2,000E+5 2,500E+5 2,600E+5 2,700E+5 2,800E+5 2,900E+5 3,000E+5 Udet [V] 9,811E-2 9,814E-2 9,758E-2 9,579E-2 8,953E-2 8,081E-2 6,476E-2 4,989E-2 3,339E-2 1,555E-2 7,967E-3 3,956E-3 2,559E-3 1,829E-3 1,344E-3 1,258E-3 1,196E-3 1,126E-3 1,062E-3 9,92E-004 Měření vyzařovací charakteristiky LED ,883E-2 3, 7 9 E , E - 2 3, E ,741E-2 3, E - 2 3, E - 2 2, E ,458E-2 3, E - 2 2, E - 2 2, E ,106E-2 3, E - 2 3, E - 2 3, E ,248E-2 4, E - 2 5, E - 2 4, E ,497E-2 7, E - 2 7, E - 2 7, E ,141E-2 9, E - 2 1, E - 1 9, E ,155E-1 1, E - 1 1, E - 1 1, E ,335E-1 1, E - 1 1, E - 1 1, E ,410E-1 1, E - 1 1, E - 1 1, E ,411E-1 1, E - 1 1, E - 1 1, E ,309E-1 1, E - 1 1, E - 1 9, E ,126E-1 9, E - 2 7, E - 2 6, E ,696E-2 7, E - 2 5, E - 2 4, E ,124E-2 4, E - 2 3, E - 2 2, E ,890E-2 3, E - 2 2, E - 2 2, E ,860E-2 3, E - 2 3, E - 2 3, E ,140E-2 3, E - 2 3, E - 2 3, E ,268E-2 3, E - 2 3, E - 2 3, E - 2 Výpočty měření A) Určování koeficientu n: Známé hodnoty: K = J k 1 T =293 K e= C

5 určíme směrnici b: b= ln I (20) ln I (1) led led = ln U led (20) ln U led (1) = výpočet n: n= e b k T = =1.367 B) Kmitočtový rozsah optronu f k, při kterém klesne hodnota napětí U' 100Hz (= hodnota napětí pří frekvenci 100Hz) U 100Hz =9, V ; U 100Hz (2) =6, V V grafu přenosové charakteristiky optronu se stačí podívat, jaká hodnota frekvence odpovídá tomuto napětí. Nám vyšlo ~4000 Hz. Grafy I led [A] 2,00E+0 1,80E+0 1,60E+0 1,40E+0 1,20E+0 1,00E+0 8,00E-1 6,00E-1 4,00E-1 2,00E-1 Luxampérová charakteristika 0,00E+0 0,00E+0 2,00E-4 4,00E-4 6,00E-4 8,00E-4 1,00E-3 1,20E-3 1,40E-3 1,60E-3 U led [V] Luxampérová charakteristika I led [A] 2,00E+0 1,80E+0 1,60E+0 1,40E+0 1,20E+0 1,00E+0 8,00E-1 6,00E-1 4,00E-1 2,00E-1 0,00E+0 1,00E-7 1,00E-6 1,00E-5 1,00E-4 1,00E-3 1,00E-2 1,00E-1 1,00E+0 U led [V] (logaritmická)

6 Voltampérová charakteristika 1,60E-3 1,40E-3 1,20E-3 1,00E-3 I led [A] 8,00E-4 6,00E-4 4,00E-4 2,00E-4 0,00E+0 1,30E+0 1,40E+0 1,50E+0 1,60E+0 1,70E+0 1,80E+0 1,90E+0 U led [V] Voltampérová charakteristika 1,00E+0 1,00E-1 I led [A] (logaritmická) 1,00E-2 1,00E-3 1,00E-4 1,00E-5 1,00E-6 1,00E-7 1,00E+0 1,10E+0 1,20E+0 1,30E+0 1,40E+0 1,50E+0 1,60E+0 1,70E+0 1,80E+0 1,90E+0 U led [V] Přenosová charakteristika optronu 1,00E+00 1,00E-01 U det [V] 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 f [Hz]

7 Směrová vyřazovací charakteristika LED , , Závěr Podařilo se nám naměřit pomocí počítače voltampérovou, luxampérovou a směrovou vyzařovací charakteristiku diody a přenosovou charakteristiku optronu. Z výsledků měření a z výpočtu nám vyšel součinitel závislý na mechanismu transportu n=1.367, což vyhovuje podmínce 1< n< 2.. Což indikuje, že nedošlo k žádné větší chybě při samotném měření. Při změně natočení LED diody je z grafu poznat mírná změna vyzařovací charakteristiky. Hodnota kmitočtového rozsahu optronu nám vyšla přibližně 4000 Hz.