Charakteristiky optoelektronických součástek

Transkript

1 FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM Ústav fyziky FEKT VUT BRNO Spolupracoval Jan Floryček Jméno a příjmení Jakub Dvořák Ročník 1 Měřeno dne Předn.sk.-Obor BIA Stud.skup. 13 Odevzdáno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení Kód Lab.skup. Název úlohy Charakteristiky optoelektronických součástek Číslo úlohy 28 Úkol Změřte voltampérovu, luxampérovu a směrovou vyzařovací charakteristiku luminiscenční diody a přenosovou charakteristiku optronu. Charakteristiky vyneste do grafu a zhodnoťte. Teoretický rozbor V této úloze se zabýváme luminiscenční diodou, fotodiodou a jednoduchým optronem, který vznikne spojením luminiscenční diody s fotodiodou. Luminiscenční dioda LED je zdrojem elektromagnetického záření v oblasti viditelného světla a nebo v blízké infračervené oblasti. Základním materiálem pro výrobu luminiscenčních diod jsou polovodičové sloučeniny typu A III B V, jako např. GaAs, GaP, GaAsP a další. Luminiscenční dioda je tvořena přechodem PN, který je v provozu polarizován v propustném směru. Nosiče proudu injektované do oblasti přechodu rekombinují, čímž vzniká záření určité vlnové délky. Frekvence emitovaného fotonu splňuje podmínku: h ω = eu h kde Planckova konstanta h=6, J.s, h = 2 π, elementární náboj e =1, a kde eu je rozdíl Fermiho kvasienergií oblastí N a P. K detekci dopadajícího elektromagnetického záření lze užít buď běžnou fotodiodu, fotodiodu PIN nebo fototranzistor. V oblasti přechodu se objeví dvojice nosičů elektron díra, které jsou vnitřním elektrickým polem, jež je zde přítomno, od sebe odděleny. Tím se zvětšuje počet minoritních nosičů (elektronů v oblasti P a děr v oblasti N). Následkem nárůstu koncentrace minoritních nosičů se posunou energetické hladiny hranic pásů a na přechodu PN se objeví napětí. K popisu vlastností luminiscenčních diod se používá několik charakteristik. Voltampérová 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: eu nkt 1 I 0e I = Zde I 0 je nasycený závěrný proud, Boltzmannova konstanta k=1, JK -1 a n je číselný součinitel závislý na mechanismu transportu, pro nějž platí: 1<n<2. Luxampérová charakteristika luminiscenční diody je závislost zářivého toku Φ, který je diodou emitován, na proudu I 1, jež při tom diodou protéká: Φ=Φ(I 1 ) Na fotodiodě snímající záření vzniká napětí U f přímo úměrné dopadajícímu světelnému toku, který je LED diodou emitován. Platí: U f =konst.φ Tvar charakteristiky se tedy nezmění, nahradíme-li zářivý tok snadněji měřeným napětím U f a jako luxampérovu charakteristiku budeme chápat závislost: U f =U f (I1)

2 Směrová vyzařovací charakteristika přináší informaci o nerovnoměrnosti, s níž luminiscenční dioda září do jednotlivých směrů prostoru. Závislost Φ=Φ(ϕ) která tento děj popisuje, můžeme vzhledem k (4) i v tomto případě nahradit závislostí: U f =U f (ϕ) 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: U f =U f (λ) Kombinací luminiscenční diody a fotodiody vzniká optoelektronická součástka zvaná optron. Pomocí optronu lze dva obvody důkladně galvanicky oddělit, ale zachovat přitom možnost přenosu signálu mezi nimi. Proměnným signálem se moduluje proud procházející LED diodou. Na výstupní hraně se snímá proměnná složka napětí na fotodiodě či tranzistoru. Přenosová charakteristika optronu je název pro závislost: U f=u f(f) při I 1 =konst. kde f je kmitočet harmonické složky přičítané k proudu I 1 a U f je střídavá složka napětí na výstupu optronu. Přenosová charakteristika informuje o šířce frekvenčního pásma, tedy o kmitočtech, které je optron schopen přenést, a o zkreslení, jež při tomto přenosu vzniká. Postup měření Při měření voltampérové a luxampérové charakteristiky nastavujeme proud diodou I l a odečítáme napětí na LED U l a napětí na fotodiodě U f.poloha fotodiody je nastavena do směru maximálního osvětlení (ϕ=90 ). Dále je nastavena hodnota α=0. U měření směrové vyzařovací charakteristiky LED nastavíme luminiscenční diodou jednu hodnotu proudu (15-30mA).Pro úhel α=0 nastavujeme ϕ = 0 až 180 a odečítáme U f.totéž opakujeme pro α=30, 60 a 90. Schéma zapojení RC GENERÁTOR U g,f VOLTMETR MlT 330 U l PROGRAMOVATEL NÝ ZDROJ PROUDU A MODULÁTOR AMPÉRMETR BM 518 I l OPTRON α, ϕ POČÍTAČ SE SBĚNICÍ IEEE 488 MILIVOTMETR BM 545 U f STŘÍDAVÝ MILIVOTMETR U f PŘEPÍNAČ SIGNÁLU OSCILOSKOP BM 565

3 Voltampérova a Luxampérova charakteristika I [A] Ul [V] Uf [V] 1.99E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-01 Voltamperova charakteristika I [A] Uf [V] 1.00E E E E E E E E E E E Luxampérova charakteristika 1.00E E E E E-02 I [A]

4 Směrová vyzařovací charakteristika LED φ [ ] α=0 α=30 α=60 α= E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-02 Směrová vyzařovací charakteristika LED E E E E E α=0 α=30 α=60 α=

5 Přenosová charakteristika optronu f [Hz] 9.997E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-04 Přenosová charakteristika optronu U [mv] f [Hz] U m U = 2 3, = = 0,0233 V Závěr Měřením jsme ověřili, že dioda LED začne svítit až při určitém napětí (prahové napětí přechodu PN) a s růstem proudu roste množství vyzařovaného světla do okolí až po určitou hodnotu, po které se množství vyzářeného světla mění jen minimálně. Měření na optronu ukázalo, že luminiscenční dioda může přenášet jen úzké kmitočtové pásmo z důvodů setrvačnosti diody LED při změně napětí na této diodě (což bylo vidět také na osciloskopu). Vlastní měření proběhlo celkem hladce, až na počáteční problémy při zapínání měřících přístrojů.