Úloha 5: Charakteristiky optoelektronických součástek

Transkript

1 Petra Suková, 2.ročník, F-14 1 Úloha 5: Charakteristiky optoelektronických součástek 1 Zadání 1. Změřte voltampérové a světelné charakteristiky připravených luminiscenčních diod v propustném směru a určete, z jakého materiálu jsou jednotlivé diody zhotoveny. 2. ZezměřenýchV-Acharakteristikurčeteprojednotlivédiodystatickýodpor R d, dynamickýodpor R di,hodnotukonstanty naprahovénapětí U. 3. Změřte charakteristiky fototranzistoru při třech různých hladinách osvětlení. Určete zisk fototranzistoru. 4. Naměřenécharakteristikyzpracujtegraficky.Nezapomeňtenagrafln(I F )vs. U F. 2 Teorie Přiložíme-li napětí na polovodičový N-P přechod v propustném směru, dochází k přechodu minoritním nosičů proudu do vodivostním oblastí, jejichž část zářivě rekombinuje a majoritními nosiči, címž emituje světlo. Na tomto principu pracuje luminiscenční dioda. Voltampérová charakteristika diody splňuje vztah(viz[3]) ( I F = I 0 exp e(u ) F I F R S ) 1, (1) nkt kde I F jeproudprotékajícídiodou, I 0 jezbytkovýproud, enábojelektronu, U F napětínadiodě, R S sériovýodpordiody, nkonstantacharakterizujícívlastnostidiody, k Boltzmannova konstanta a T absolutní teplota. Tento vzorec můžeme za určitých podmínek(eu F 4kT U F I F R S )zjednodušitna I F = I 0 ( exp eu F nkt ). (2) Podle[3]můžemevzorec(2)připokojovéteplotěpoužítpronapětí U F 100mV. Zlogaritmováním tohoto vztahu získáme lineární vztah ln I F = a+ e nkt U F. (3) Ze směrnice získané přímky tedy lze vyjádřit hodnotu n. Statický odpor diody je definován vztahem Dále můžeme definovat dynamický odpor, splňující vztah R d = U F 0 I F0. (4) R di = du F di F IF0. (5) Prahovénapětí U můžemeurčitextrapolacílineárníčástivoltampérovécharakteristikypro I=0A.Totonapětíjeblízkédifůznímunapětí(šířcezakázanéhopásu).

2 Petra Suková, 2.ročník, F-14 2 Fototranzistor pohlcuje záření v bázi. Vzniklé menšinové nosiče přecházejí do kolektoru,kdejakovětšinovénosičetvoříprimárnífotoproud I Φ.Většinovénosičevbázi snižují potenciálovou bariéru emitorového přechodu, kterým poté do báze přitékají další minoritní nosiče a dochází tak k zesílení primárního fotoproudu podle vzorce I CO = GI Φ, (6) kde Gjeziskfototranzistoru(dosahujeřádu10 2 ). Spojíme-li vodivě emitor s bází, zrušíme tím jeho funkci a k zesílení nedocházímůžeme tedy měřit přímo primární proud, což nám dovoluje s využitím vztahu 6 určit zesílení fototranzistoru. Voltampérovácharakteristikafototranzistorujezávislostkolektorovéhoproudu I CO nanapětíkolektor-emitor U CE. 3 Měření Galvanoměr MG5 Fotodioda LQ 1131 Fotodioda L934LGD Obrázek 1: Zapojení měření charakteristik diod Měření voltampérové a světelné charakteristiky obou fotodiod jsem prováděla při zapojení na obrázku 1. Naměřené hodnoty viz tabulky 1 a 2, grafické zpracování viz grafy 1 až 6. Galvanoměr udával hodnoty proudu indukovaného na měrné fotodiodě, nebyl však kalibrován určitou hodnotou světelného toku, světelnou charakteristiku diod tedy udávám v relativních jednotkách(předpokládám lineární vztah mezi indukovaným napětím a dopadajícím světelným tokem). Z lineární části voltampérové charakteristiky jsem extrapolací proložené přímky do hodnoty I=0mAzjistilahodnotuprahovéhonapětíoboudiod U 1 =(1,6 ±0,1)V, U 2=(1,9 ±0,1)V. Lineární regresí jsem spočetla pomocí funkce linfit jazyka IDL. Jelikož výsledek regrese závisí na odhadu, kde charakteristika vykazuje lineární průběh(tedy na počtu bodů, které zahrneme do výpočtu), odhadla jsem chybu výsledku z průběhu grafu(je větší než chyba lineární regrese). Statický(viz vztah 4) a dynamický(viz vztah 5) odpor diod jsem určila pro jmenovitý proud I=20mA.

3 Petra Suková, 2.ročník, F-14 3 Tabulka 1: Voltampérová a světelná charakteristika diody LQ1131 U[V] 0,173 0,254 0,278 0,373 0,420 0,480 0,585 0,714 0,821 I[mA] , I Φ U[V] 0,981 1,033 1,127 1,175 1,234 1,244 1,278 1,300 1,328 I[mA] 0 0, ,001 0,001 0,003 0,004 0,005 0,010 I Φ U[V] 1,346 1,355 1,369 1,376 1,383 1,390 1,407 1,423 1,438 I[mA] 0,014 0,018 0,025 0,029 0,033 0,040 0,061 0,090 0,134 I Φ U[V] 1,451 1,471 1,483 1,493 1,503 1,508 1,524 1,532 1,541 I[mA] 0,185 0,315 0,428 0,552 0,707 0,814 1,232 1,517 1,927 I Φ 0 0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,5 2,5 3,0 U[V] 1,550 1,559 1,570 1,574 1,580 1,590 1,593 1,596 1,602 I[mA] 2,37 2,96 3,90 4,30 4,92 6,08 6,50 7,00 7,91 σ I [ma] 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 I Φ 4,0 5,0 7,0 8,0 9,5 12,5 13,0 14,5 17,0 U[V] 1,605 1,612 1,617 1,621 1,624 1,630 1,634 1,637 1,640 I[mA] 8,50 9,57 10,58 11,37 12,01 13,12 14,13 15,00 15,61 σ I [ma] 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 I Φ 18,5 21,0 23,0 24,5 26,0 28,0 30,0 31,5 33,0 U[V] 1,642 1,645 1,646 1,649 1,654 1,654 1,658 1,660 1,665 I[mA] 15,61 16,88 17,41 18,08 19,57 20,0 21,1 22,0 23,1 σ I [ma] 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ 33,0 35,0 36,0 37,5 40,0 40,5 43,0 45,0 47,5 U[V] 1,668 1,669 1,671 1,672 1,673 1,676 1,678 1,681 1,683 I[mA] 24,2 24,7 25,4 25,7 26,4 27,3 28,1 28,8 30,0 σ I [ma] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ 49,0 50,5 60,0 65,0 65,0 70,0 70,0 75,0 75,0 σ IΦ 0,5 0,5 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 σ U =0,0005V; σ IΦ =0,5pro I Φ 50 R d1 =(83 ±2)Ω;R d2 =(116 ±2)Ω R di1 =(3,1 ±0,5)Ω;R di2 =(24 ±3)Ω Dynamický odpor jsem určila ze směrnice přímky, procházející naměřenými hodnotamivokolíbodu I=20mA(s 1 =(321 ±5)mA V 1 ; s 2 =(41 ±2)mA V 1 ).Chybu ovšem opět negativně ovlivňují výše zmíněné skutečnosti, a tedy jsem ji určila větší než je statistická hodnota.

4 Petra Suková, 2.ročník, F-14 4 Tabulka 2: Voltampérová a světelná charakteristika diody L934LGD U[V] 0,173 0,327 0,582 0,812 0,989 1,261 1,427 1,508 1,564 I[mA] ,000 I Φ U[V] 1,640 1,662 1,695 1,725 1,744 1,758 1,797 1,809 1,837 I[mA] 0,000 0,000 0,001 0,001 0,002 0,002 2,500 3,000 3,500 I Φ U[V] 1,844 1,868 1,895 1,916 1,937 1,960 1,975 1,992 2,004 I[mA] 4,000 4,500 5,500 6,00 6,50 7,50 8,00 8,50 9,00 σ I [ma] 0,0005 0,0005 0,0005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 I Φ 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 U[V] 2,022 2,040 2,057 2,074 2,085 2,103 2,116 2,130 2,147 I[mA] 10,00 11,00 11,50 12,50 13,50 14,00 15,00 17,00 17,50 σ I [ma] 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 I Φ 4,0 4,5 5,5 6,0 6,5 7,5 8,0 8,5 9,0 U[V] 2,163 2,184 2,200 2,216 2,241 2,259 2,277 2,328 2,346 I[mA] 18,50 19,00 19,50 20,00 21,00 21,00 21,50 20,0 21,1 σ I [ma] 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,05 0,05 I Φ 10,0 11,0 11,5 12,5 13,5 14,0 15,0 17,0 17,5 U[V] 2,368 2,385 2,4 2,421 2,44 2,451 2,469 2,482 I[mA] 22,25 23, ,25 26,3 26,9 27,9 28,65 σ I [ma] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ 18, , ,5 22 σ U =0,0005V; σ IΦ =0,5 Z lineární části závislosti ln(i) na U, která splňuje vztah 3, jsem lineární regresí určila směrnici a z ní konstantu n obou diod n 1 =(1,6 ±0,1),n 2 =(1,9 ±0,1). Obrázek 2: Zapojení měření charakteristik fototranzistoru Dále jsem měřila charakteristiky fototranzistoru pro 3 různé hodnoty osvětlení, danéproudemvosvětlující diodě I d1 = 0,6mA, I d2 =0,4mAaI d3 =0,2mA. Výsledkyměřeníviztabulky3,4a5a graf 7. Pronapětí U = 3Vjsemzměřila také primární proud při zkratované bázi a emitoruapakpodlevztahu6určilazesílení G. Výsledky viz tabulka 6.

5 Petra Suková, 2.ročník, F-14 5 Tabulka3:Charakteristikafototranzistorupronapájecíprouddiody I d =0,6mA U CE [V] 0,0012 0,0046 0,0063 0,0088 0,0116 0,0162 0,0213 0,0273 0,0362 σ UCE [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I CO [µa] -0,05 0 0,03 0,05 0,10 0,20 0,30 0,45 0,80 σ ICO [µa] 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 U CE [V] 0,0407 0,0450 0,0508 0,0538 0,0585 0,0627 0,0662 0,0725 0,0819 σ UCE [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I CO [µa] 1,00 1,20 1,50 1,68 2,03 2,40 3,0 3,8 5,5 σ ICO [µa] 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,3 0,3 0,3 U CE [V] 0,0891 0,0955 0,1001 0,1175 0,1293 0,1358 0,1387 0,1397 0,1497 σ UCE [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I CO [µa] 7,0 8,8 10,0 15,5 20,0 23,3 25, σ ICO [µa] 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 3 3 U CE [V] 0,1634 0,1931 0,2196 0,2306 0,2742 0,321 0,338 0,358 0,549 σ UCE [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,5 0,5 0,5 0,5 I CO [µa] σ ICO [µa] U[V] 0,618 0,730 1,118 1,438 1,807 2,083 2,568 2,807 3,002 σ U [mv] 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 I Φ [µa] σ IΦ [µa] U[V] 3,137 3,550 4,010 4,710 4,820 σ U [mv] 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 I Φ [µa] σ IΦ [µa]

6 Petra Suková, 2.ročník, F-14 6 Tabulka4:Charakteristikafototranzistorupronapájecíprouddiody I d =0,4mA U[V] 0,0016 0,0073 0,0108 0,0129 0,0173 0,0214 0,0246 0,0281 0,0321 σ U [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ -0,03 0,00 0,03 0,05 0,08 0,10 0,14 0,19 0,25 σ IΦ 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 U[V] 0,0347 0,0399 0,0469 0,0489 0,0528 0,0582 0,0615 0,0673 0,0719 σ U [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ 0,30 0,40 0,55 0,63 0,75 0,95 1,06 1,30 1,50 σ IΦ 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 U[V] 0,0788 0,084 0,0861 0,0911 0,1129 0,1175 0,1247 0,1295 0,1359 σ U [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ 1,90 2,30 2,48 3,3 6,5 7,5 9,3 10,5 12,0 σ IΦ 0,03 0,03 0,03 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 U[V] 0,1425 0,1506 0,1702 0,1847 0,1864 0,2025 0,2502 0,285 0,358 σ U [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,5 0,5 I Φ 13,5 15,5 20,5 24, σ IΦ 0,3 0,3 0,3 0, U[V] 0,677 0,873 1,207 1,73 2,055 2,571 2,917 3,001 3,28 σ U [mv] 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 I Φ σ IΦ U[V] 4,06 4,7 4,94 σ U [mv] 0,5 0,5 0,5 I Φ σ IΦ Diskuze Je-li dioda vyrobená ze směsi galia, arsenu a fosforu, mohu z určených hodnot prahového napětí určit zastoupení těchto prvků(viz[3]). Prahové napětí diody LQ 1131 je přibližně 1,6V,jejísloženíjetedyGaAs 0,8 P 0,2.PrahovénapětídiodyL934GDjezhruba1,9V,a odpovídajícísloženíjegaas 0,5 P 0,5.Rozdílnéprahovénapětítakézpůsobujerůznébarvy diod. Při přepínání rozsahů přístrojů mohlo docházet k ovlivnění naměřených hodnot kvůli změnámjejichodporů.vgrafu3jedobřevidětskokvnaměřenýchbodech,kterýprávě odpovídá přepnutí mezi rozsahy, předpokládám tedy, že je tímto způsoben. Z tohoto důvodu jsem při výpočtu prahového napětí zahrnula pouze hodnoty menší, které dobře odpovídají teoretickým předpokladům. Při výpočtu konstanty n jsem musela odhadnout teplotu PN přechodu. Jelikož se diodaprůchodemproudumírnězahřívá,odhadlajsemjejíteplotu T =(300 ±10)K. Tento fakt zanáší do měření další chybu. Všechny výpočty, které využívaly lineární regresi, jsou zatíženy chybou, která je způsobena subjektivním odhadem oboru lineární závislosti naměřených hodnot. Z tohoto

7 Petra Suková, 2.ročník, F-14 7 Tabulka5:Charakteristikafototranzistorupronapájecíprouddiody I d =0,2mA U[V] 0,0016 0,0145 0,0401 0,0541 0,064 0,0692 0,0739 0,0799 0,0869 σ U [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ -0,03 0,00 0,08 0,15 0,25 0,38 0,40 0,50 0,65 σ IΦ 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 U[V] 0,0945 0,1012 0,1055 0,1202 0,1253 0,1291 0,1326 0,1357 0,1357 σ U [mv] 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 I Φ 0,85 1,05 1,20 1,78 1,93 2,10 2,30 2,48 2,6 σ IΦ 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,3 U[V] 0,1623 0,1993 0,222 0,415 0,434 0,848 1,208 1,51 1,767 σ U [mv] 0,05 0,05 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 I Φ 4,5 7,0 8,5 8,8 9,0 9,0 9,1 9,3 9,1 σ IΦ 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 U[V] 1,999 2,228 2,487 2,746 2,984 4,04 4,45 4,9 σ U [mv] 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 I Φ 9,1 9,1 9,3 9,3 9,4 9,4 9,5 9,8 σ IΦ 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 důvodu uvažuji všechny chyby větší, než příslušné chyby lineární regrese. Zgrafu5a6vidíme,ževztah2platípřibližněpronapětímenšínežprahovéaz těchto hodnot jsem určila hodnotu konstanty n. Při měření hodnot pomocí galvanometru se také projevovala chyba v jeho konstrukci. Při různé poloze galvanometr ukazoval při nulovém proudu různé hodnoty. Tuto systematickou chybu jsem se snažila eliminovat podložením galvanometru takovým způsobem, aby při nulovém proudu skutečně ukazoval nulu. Toho se ovšem dosahovalo poměrně těžce a s chybou minimálně půl dílku galvanometru. Tato chyba se nejvíce projevila při měření zesílení fototranzistoru, kdy obvodem při spojené bázi a emitoru tekly opravdu malé proudy. Pro nejnižší hodnotu osvětlení se naměřená hodnota dokonce blížila k nule, s uvážením výše zmíněného a porovnáním s hodnotou při vypojeném fototranzistoru, jsem tuto hodnotu uvažovala jako půl dílku. Chyba tohoto určení zisku fototranzistoru pro nejnižší úrověň osvětlení je pak z tohoto důvodu větší než 100%. Tabulka 6: Hodnoty proudu při zkratované a nezkratované bázi a emitoru I d [ma] I CE [µa] I CEzkrat [µa] G σ G 0,2 9,4 0, ,4 43 0, , , σ ICEzkrat =0,025, σ Id =0,0005mA

8 Petra Suková, 2.ročník, F-14 8

9 Petra Suková, 2.ročník, F-14 9

10 Petra Suková, 2.ročník, F I d =0,6mA I d =0,4mA I d =0,2mA

11 Petra Suková, 2.ročník, F Závěr 1. Změřila jsem voltampérové a světelné charakteristiky připravených luminiscenčních diod v propustném směru, výsledky měření viz tabulky 1, 2, grafické zpracovánívizgrafy1až6. Určilajsemmateriáltěchtodiod:LQ 1131-GaAs 0,8 P 0,2 ;L934GD-GaAs 0,5 P 0,5. 2. Ze změřených V-A charakteristik jsem určila pro jednotlivé diody statický odpor R d,dynamickýodpor R di,hodnotukonstanty naprahovénapětí U. LQ 1131 L934GD U [V] 1,6 ±0,1 1,9 ±0,1 R d [Ω] 83 ±2 116 ±2 R di [Ω] 3,1 ±0,5 24 ±3 n 1,6 ±0,1 1,9 ±0,1 3. Změřila jsem charakteristiky fototranzistoru při třech různých hladinách osvětlení. Výsledkyměřeníviztabulky3,4a5,grafickézpracovánívizgraf7. Určila jsem zisk fototranzistoru při těchto hladinách osvětlení. Použitá literatura I d [ma] 0,2 0,4 0,6 G σ G [1] J. Brož, V. Roskovec, M. Valouch: Fyzikální a matematické tabulky, SNTL, Praha 1980 [2] I. Pelant, J. Fiala, J. Pospíšil, J. Fähnrich: Fyzikální praktikum III- Optika, Karolinum, Praha 1993 [3]