BADANIE CHARAKTERYSTYK FOTOELEMENTÓW Irena Jankowska-Sumara
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych I=f(λ) i I=f(U) fotodiody i fotoopornika.
Zagadnienia do opracowania
1) Światło jako fala elektromagnetyczna 2) Dualizm korpuskularno-falowy światła 3) Teoria pasmowa budowy ciała stałego 4) Półprzewodniki samoistne i domieszkowane 5) Złącze p-n
6) Wewnętrzny efekt fotoelektryczny 7) Zastosowania fotoelementów
Zalecana literatura
1) II pracownia fizyczna (praca zbiorowa), Wydawnictwo Naukowe AP w Krakowie (2000) 2) Sz. Szczeniowski, Fizyka Doświadczalna cz V – Fizyka atomu
3) F. Kaczmarek, II pracownia Fizyczna, PWN Poznań 1976 4) H. Szydłowski, Pracownia Fizyczna wspomagana komputerem
Wstęp
W wielu dziedzinach techniki zachodzi czasem potrzeba wykrycia, rejestracji i pomiaru natężenia promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal, w tym również promieniowania widzialnego, bez udziału człowieka. Stosuje się wtedy czujniki promieniowania. Te, które są przystosowane do pracy w zakresie widzialnym widma promieniowania elektromagnetycznego nazywa się fotoelementami.
Fotoelementy (elementy optoelektroniczne) mogą być lampowe i półprzewodnikowe.
W fotoelementach lampowych (fotokomórka, fotopowielacz) wykorzystuje się zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne, natomiast w półprzewodnikowych- wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne.
Fotoopornik jest opornikiem półprzewodnikowym zmieniającym opór elektryczny pod wpływem oświetlenia. Fotoczuła warstwa półprzewodnika jest naniesiona na izolujące podłoże (rysunek 1). Działanie fotooporników oparte jest na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym. Miedzy elektrodami istnieje opór zależny od wartości padającego strumienia świetlnego. Fotoopornik charakteryzuje się nieliniową charakterystyką prądowo-napięciową oraz nieliniowymi charakterystykami oświetleniowymi. Jego wadą jest duża bezwładność.
Rys. 1. Budowa fotoopornika (a), układ elektrod w fotooporniku (b).
Rys. 2. Charakterystyki prądowo-napięciowe fotoopornika.
Fotodioda to dioda półprzewodnikowa o konstrukcji umożliwiającej oświetlenie obszaru złącza p-n. Jej budowę pokazano na rysunku 3. Półprzewodnik typu n tworzy bardzo cienką warstwę częściowo przepuszczalną dla światła. W czasie normalnej pracy dioda jest spolaryzowana zaporowo. Wartość prądu fotoelektrycznego rośnie wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia. Charakterystyka prądowa napięciowa fotodiody jest zbliżona do charakterystyki zwykłej diody spolaryzowanej kierunku zaporowym.
Rys. 3. a) Budowa fotodiody, b) charakterystyki prądowo napięciowe fotodiody
Zadania do wykonania
Badanie fotodiody 1) Oświetlić fotodiodę.
2) Wyznaczyć charakterystykę widmową I=f(λ).
3) Podłączyć układ dla kierunku zaporowego. Dla długości fali dla której fotodioda wykazuje maksymalna czułość wyznaczyć charakterystykę I=f(U) .
4) Wyznaczyć charakterystykę I=f(U) dla kierunku przewodzenia z oświetleniem.
5) Wyznaczyć charakterystykę I=f(U) dla kierunku przewodzenia bez oświetlenia.
Badanie fotoopornika
1) Wyznaczyć charakterystykę widmową I=f(λ).
2) Dla długości fali dla której fotoopornik wykazuje maksymalną czułość wyznaczyć charakterystykę I=f(U).
3) Wyznaczyć dodatkowo trzy charakterystyki I=f(U) dla różnych natężeń oświetlenia.
Sposób realizacji ćwiczenia
Badanie fotodiody
1) Wyznaczanie charakterystyki I=f(λ)
a. Zapoznać się z tabelą cechowania monochromatora.
b. Przeanalizować układ pomiarowy przedstawiony na rys.4 i zapoznać się z układem pomiarowym ćwiczenia.
c. Ustawić napięcie na żarówce oświetlacza na 150V (poprzez regulację autotransformatorem)
Uwaga! W trakcie pomiaru nie dotykać obudowy żarówki – mocno się nagrzewa!
d. Zmieniać długość fali światła padającego na fotodiodę F (poprzez zmianę nastawień śruby mikrometrycznej monochromatora) i odczytywać wartość prądu płynącego poprzez fotodiodę. W tabelce zanotować: napięcie na fotodiodzie, ustawienie na śrubie monochromatora, długość fali światła padającego na fotodiodę, wartość prądu płynącego przez fotodiodę.
e. Na podstawie pomiarów sporządzić charakterystykę I=f(λ).
Rys. 4 Z- zasilacz stabilizowany z wbudowanym miliwoltomierzem µA- mikroamperomierz prądu stałego, Ż- żarówka oświetlacza, A- autotransformator,
2) Wyznaczanie charakterystyki I=f(U) dla kierunku zaporowego z oświetleniem
a) Ustawić długość fali światła padającego na fotodiodę na wartość odpowiadającą największej czułości fotodiody.
b) Ustawić wartość napięcia na żarówce oświetlacza na 150V.
c) Zmieniając wartość napięcia na fotodiodzie od 0 do 1V wyznaczyć charakterystykę I=f(U).
Wyniki pomiarów zamontować w tabelce zawierającej: wartość napięcia na żarówce oświetlacza, długość fali światła padającego na fotodiodę, napięcie na fotodiodzie, prąd płynący przez fotodiodę.
d) Na podstawie wyników pomiarów wyznaczyć charakterystykę I=f(U) dla kierunku zaporowego z oświetleniem.
3) Wyznaczanie charakterystyki I=f(U) dla kierunku przewodzenia z oświetleniem – w tym celu zmienić polaryzacje połączeń na fotodiodzie.
a) Zwiększając napięcie na fotodiodzie wyznaczyć charakterystykę I=f(U) w kierunku przewodzenia.
b) Wyniki pomiarów zanotować w tabelce, a następnie narysować charakterystykę I=f(U) dla kierunku przewodzenia bez oświetlenia.
c) Połączyć obie charakterystyki przedstawiając je na jednym wykresie. Należy przy tym pamiętać że wartości napięcia i prądu w kierunku zaporowym mają wartości ujemne.
4) Wyznaczyć charakterystykę I = f(U) dla kierunku przewodzenia bez oświetlenia. W tym celu należy wyłączyć oświetlenie i postępować wg punktów 3a-b.
5) Wyłączyć układ pomiarowy.
Badanie fotoopornika
Rys. 5. F- fotoopornik, Z- zasilacz stabilizowany (5V), V- woltomierz prądu stałego, µA – mikroamperomierz prądu stałego o zakresie (1- 1000 µA), M- monochromator, A- autotransformator
1) Zamontować na zaciskach fotoopornik i zasilić go napięciem U=5V z zasilacza, dopiąć do układu mikroamperomierz. Ustawić napięcie na żarówce oświetlacza U=150V przez regulację autotransformatorem.
2) Zmieniając długość fali światła padającego na fotoopornik F poprzez zmianę nastawienia śruby mikrometrycznej monochromatora odczytywać wartość prądu płynącego przez fotoopornik.
3) W tabelce zanotować: napięcie na fotooporniku, wartość prądu płynącego przez fotoopornik, ustawienia na śrubie monochromatora, długość fali światła padającego na fotoopornik.
4) Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystykę I(λ).
5) Ustawić długość fali światła padającego na fotoopornik na wartość odpowiadającą największej czułości fotoopornika.
6) Zwiększając napięcie na fotooporniku wyznaczyć charakterystykę I=f(U).
7) Zmienić napięcie na żarówce (zmniejszyć) i ponownie wykonać charakterystykę I=f(U).
8) Czynności powtórzyć wg wskazań prowadzącego.
9) Wykonać wykresy charakterystyk I =f(U) i umieścić je wszystkie na jednym wykresie.
10) Wyniki przedyskutować.
TABELA CECHOWANIA MONOCHROMATORA
Ustawienie na bębnie monochromatora
Długość fali
światła Ustawienie na bębnie monochromatora
Długość fali
światła Ustawienie na bębnie monochromatora
Długość fali światła
nm nm nm
4,3 1160 5,16 675 5,62 558
4,32 1150 5,18 670 5,64 554
4,34 1140 5,22 655 5,66 550
4,36 1130 5,24 650 5,68 548
4,48 1120 5,26 640 5,7 544
4,4 1100 5,28 635 5,72 540
4,42 1090 5,3 630 5,74 538
4,44 1080 5,32 625 5,76 534
4,46 1070 5,34 620 5,78 532
4,48 1060 5,36 615 5,8 528
4,5 1050 5,38 610 5,82 526
4,52 1040 5,4 605 5,84 522
4,54 1030 5,42 600 5,86 520
4,56 1020 5,44 595 5,88 518
4,58 1005 5,46 690 5,9 515
4,6 990 5,48 585 5,92 512
4,62 980 5,5 580 5,94 510
4,64 970 5,52 578 5,96 508
4,66 960 5,54 574 5,98 506
4,68 940 5,56 570 6 504
4,7 930 5,58 566 6,02 500
4,72 915 5,6 562 6,04 498
4,74 900 5,62 558 6,06 496
4,76 885 5,64 554 6,08 494
4,78 870 5,66 550 6,1 492
4,8 860 5,68 548 6,12 490
4,82 850 5,7 544 6,32 488
4,84 840 5,72 540 6,34 486
4,86 827 5,74 538 6,36 485
4,88 810 5,76 534 6,38 484
4,9 800 5,78 532 6,4 482
4,92 790 5,8 528 6,36 485
4,94 780 5,82 526 6,38 484
4,96 760 5,84 522 6,4 482
4,98 750 5,86 520 6,08 494
5 740 5,48 585 6,1 492
5,02 730 5,5 580 6,12 490
5,04 720 5,52 578 6,32 488
5,06 715 5,54 574 6,34 486
5,08 710 5,56 570 6,36 485
5,1 700 5,58 566 6,38 484
5,12 690 5,6 562 6,4 482
5,14 685 5,62 558
