Źródła i detektory

IV. ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE WEWNĘTRZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH.

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie podstawowych parametrów spektralnych fotoprzewodzącego detektora podczerwieni.

Opis stanowiska:

Monochromator-SPM-2 z pryzmatem -NaCl, LiF lub Si.

Oświetlacz halogenowy - dla  < 4 m; Uzas < 16V Zasilacz halogenu Z3020

Globar I_zas < 12 A

Modulator mechaniczny z regulowaną częstotliwością modulacji Zwierciadła

Detektor fotoprzewodzący PbS o powierzchni światłoczułej 10 mm² Zasilacz detektora fotoprzewodzącego

Nanowoltomierz selektywny 233 lub homodynowy; alternatywnie wzmacniacz pomiarowy Zasilacz stabilizowany

Woltomierz, Amperomierz Opornica dekadowa

Przebieg ćwiczenia

Przed przystąpieniem do pomiarów należy zmierzyć powierzchnię detektora termicznego i detektora fotonowego.

1. Pomiar charakterystyki widmowej źródła światła, monochromatora i zwierciadeł w zakresie długości fal od 0.7 m do ok.3 m.

 Ustawić detektor termiczny naprzeciw szczeliny wyjściowej monochromatora.

Oświetlić detektor. W tym celu zestawić układ optyczny wg schematu przedstawionego na rys.1. Na zasilaczu halogenu ustawić napięcie U10V, szczelinę monochromatora nastawić na 0.7mm, wybrać długość fali z zakresu widzialnego, wyjustować układ optyczny (wykład (8)).

Rys.2.

Rys. 1. Schemat układu do pomiaru charakterystyk widmowych czułości detektora.

Jeśli pomiar sygnału wyjściowego odbywa się za pomocą nanowoltomierza homodynowego, napięcie referencyjne z zasilacza modulatora podajemy na wejście Reference tego miernika.

 Połączyć detektor z wejściem nanowoltomierza. Jeśli sygnał jest bardzo mały, połączyć najpierw detektor z transformatorem 237-, transformator z

przedwzmacniaczem 237-1 a wyjasice przedwzmacniacza z wejściem nanowlotomierza.

2. Pomiar rezystancji różniczkowej detektora

nV homodynowy Reference Zasilacz

modulatora

kierunków polaryzacji. W tym celu połączyć układ wg schematu przedstawionego na rys.2. Wyłącznik K ma być wyciśnięty. Wtedy klucz K jest zwarty i dokonujemy pomiaru prądu stałego i napięcia stałego na detektorze.

Rys.2. Schemat połączeń elektrycznych w przystawce pomiarowej.

 Na podstawie pomiarów I – V, z prostoliniowej części wykresu wyznaczyć rezystancję różniczkową RD badanego detektora (wzór (4)).

3. Pomiar charakterystyki spektralnej czułości detektora w zakresie długości fal od 0.7 m do ok.3 m.

 W przystawce pomiarowej należy podłączyć rezystancję obciążenia równą rezystancji ciemnej detektora: R_L= R_D, tzn.podłączyć opornik R_L do gniazd na wtyki bananowe a następnie wcisnąć włącznik K. Wtedy klucz K jest rozwarty. Wyjście WY w przystawce pomiarowej jest połączone bezpośrednio z wyjściem z gniazd bananowych i umożliwia podanie sygnału wyjściowego z rezystancji R_L na nanowoltomierz przy pomocy kabla BNC.

 Ustawić badany detektor fotoprzewodzący naprzeciw szczeliny wyjściowej monochromatora. Oświetlić detektor. W tym celu zestawić układ optyczny wg schematu przedstawionego na rys.1. Na zasilaczu halogenu ustawić napięcie U10V, szczelinę monochromatora nastawić na 0.7mm, wybrać długość fali z zakresu widzialnego, wyjustować układ optyczny (wykład (8)).

 Ustawić wartość prądu stałego płynącego przez fotodetektor nie większą niż 10A;

 Wyjście WY z przystawki pomiarowej połączyć z wejściem nanowoltomierzem selektywnym/homodynowym (INPUT) lub bezpośrednio z wejściem wzmacniacza pomiarowego. Wzmacniacz pomiarowy pracuje, gdy "czerwony" wtyk przewodu ze skrzynki podłączony jest do wyjścia "+" zasilacza.

 Zmieniając długość fali światła oświetlającego detektor mierzyć napięcie wyjściowe Uwy na oporności RL w zakresie długości fal od 0.7 m do ok.3 m.

 Policzyć stosunek napięcia Uwy do napięcia na wyjściu termopary Utermop dla zmierzonego zakresu długości fali ; znaleźć maksimum (jest to maksimum czułości detektora).

 Dla długości fali odpowiadającej temu maksimum wyznaczyć zależność napięcia na wyjściu rezystora RL od prądu stałego płynącego przez detektor fotoprzewodzący Uwy= f (Ifotodet ) nie przekraczając maksymalnego prądu detektora równego 10A.

 Dla długości fali odpowiadającej temu maksimum wyznaczyć zależność napięcia na wyjściu rezystora RL w funkcji oporności obciążenia Uwy = f (RL) przy stałej wartości prądu stałego płynącego przez detektor fotoprzewodzący. W tym celu z zestawu oporników należy wybrać ok. 10 oporników o wartości oporu od kilkudziesięciu do kilkudziesięciu (skorzystać z omomierza METEX). Oporniki należy podłączyć do wtyków bananowych w skrzynce, jednocześnie wciskając włącznik K. Aby wybrać oporność korzystając z oporów wbudowanych w przystawkę pomiarową, należy wcisnąć włącznik oznaczony odpowiednią wartością.

Opracowanie wyników:

1.Charakterystyka widmowa na wyjściu detektora termicznego

 Narysować charakterystykę spektralną napięcia na wyjściu detektora termicznego.

Zaznaczyć niepewności na wykresie. Przyjąć dla wskazań nanowoltomierza

niedokładność wskazań: ± 3% dla f=15 Hz - 15 kHz oraz ± 5% dla f=1,5 Hz - 15 Hz i dla f=15kHz - 150 kHz. Natomiast dla monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali

√ . Należy zwrócić uwagę, że skala monochromatora nie jest liniowa.

 Narysować ciemną charakterystykę I-V detektora fotoprzewodzącego. Zaznaczyć niepewności pomiaru prądu i napięcia korzystając ze wzorów:

√ oraz

√ . Dokładności

pomiaru prądu i napięcia obliczyć korzystając z odpowiednich formuł dla mierników.

 Na podstawie prostoliniowej części wykresu korzystając z regresji liniowej wyznaczyć rezystancję różniczkową RD badanego detektora (wzór (4)). Rezystancja różniczkowa jest równa odwrotności współczynnika kierunkowego prostej regresji .

 Wyznaczyć niepewność pomiaru rezystancji różniczkowej, korzystając ze wzoru:

, gdzie jest niepewnością współczynnika kierunkowego prostej regresji.

2. Charakterystyka widmowa czułości

 Narysować charakterystykę spektralną napięcia na wyjściu rezystancji RL. Zaznaczyć niepewności na wykresie. Przyjąć dla wskazań nanowoltomierza niedokładność wskazań: ± 3% dla f=15 Hz - 15 kHz oraz ± 5% dla f=1,5 Hz - 15 Hz i dla f=15kHz - 150 kHz. Natomiast dla monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali

√ .

 Narysować charakterystykę spektralną czułości względnej detektora fotoprzewodzącego (wzór (1)). Zaznaczyć niepewności na wykresie. Dla monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali

√ . Niepewność pomiaru czułości obliczyć ze wzoru:

√[

] [

] [

] [

]

Obliczyć niepewność pomiaru napięcia na termoparze i na rezystancji korzystając z niedokładności równej ± 3% dla f=15 Hz - 15 kHz oraz ± 5% dla f=1,5 Hz - 15 Hz i dla f=15kHz - 150 kHz.

 Z odcięcia długofalowego tej charakterystyki wyznaczyć przerwę energetyczną Eg

materiału półprzewodnikowego, z którego wykonano detektor. W tym celu należy

 wybrać zakres prostoliniowy przebiegu czułości i korzystając z prostej regresji wyznaczyć przecięcie prostej z osią długości fali .

 Aby obliczyć niepewność pomiaru , należy skorzystać z niepewności wynikających z regresji liniowej i :

√[ ] [ ] (

√ )

3. Charakterystyka widmowa wydajności kwantowej

 Narysować charakterystykę spektralną wydajności kwantowej (wzór (3)).

Zaznaczyć niepewności na wykresie. Dla monochromatora przyjąć niepewność pomiaru długości fali

√ . Niepewność pomiaru wydajności kwantowej obliczyć ze wzoru:

√[

] [

] [

]

 Narysować zależność czułości detektora R_v od prądu natężenia prądu stałego płynącego przez detektor fotoprzewodzacy Ifotodet. Zaznaczyć niepewności na wykresie.

 Narysować zależność czułości detektora Rv od rezystancji obciążenia RL. Zaznaczyć niepewności na wykresie.

5. Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników. Porównać parametry badanego detektora z danymi literaturowymi dla innych fotodetektorów na podobny zakres spektralny (wykład (9)).

Literatura:

J.Piotrowski, A.Rogalski - "Półprzewodnikowe detektory podczerwieni"

Wykłady 5, 6, 8 i 9 „Źródła i detektory”

Rv() = RT D T

T R

A U

A U L

[V/W] (1)

gdzie RT() – czułość spektralna detektora termicznego (termopary lub detektora piroelektrycznego), AT i AD – oświetlone powierzchnie detektora termicznego i detektora fotonowego.

2. Jak uwzględnić wzmocnienie przedwzmacniacza?

Jeśli napięcie na wyjściu detektora jest wzmocnione przez wzmacniacz o wzmocnieniu k [dB] i jego wartość zmierzona wynosi Um., wówczas napięcie rzeczywiste na detektorze UD

jest równe:

k = 10 log

D m D

m

U U U

U₂ 20log

2  

log 20k U U

D

m   Um = UD10^k/20 

U_D = U_m 10-k/20

(2) ( Np. jeśli k = 20  U_D = U_m/10 )

3. Wydajność kwantowa detektora fotonowego:



_v

D

hc 1

η R ( ) 100%

eλ  R

 (3)

gdzie h – stała Plancka, c – prędkość światła, e – ładunek elektronu,  - długość fali, Rv() - spektralna czułość napięciowa detektora, RD- rezystancją detektora nieoświetlonego:

1 1

0 0

D

U U

dI I

R dU U

 

 

    

    (4)

Pytania kontrolne.

1. Model pasmowy ciała stałego.

2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.

3. Absorpcja światła w półprzewodnikach.

4. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

5. Detektory fotonowe fotoprzewodzące i parametry je charakteryzujące.