1
Ćwiczenie III . ZJAWISKO FOTOWOLTAICZNE NA ZŁĄCZU P-N
Cel ćwiczenia: Wyznaczenie podstawowych parametrów spektralnych fotodiody
Opis stanowiska:
Oświetlacz - lampa halogenowa (nap. zas. do 16V).
Zasilacz halogenu Z3020.
Zwierciadło Z
Modulator o regulowanej częstotliwości modulowania
Monochromator - SPM2 z pryzmatem Si - 0.4 m do 3.5 m
Detektor odniesienia - termoelement VTh-1 z okienkiem CaF2 , o
czułości stałoprądowej 2V/W, stałej czasowej 15 ms i powierzchni światłoczułej 7 mm2 . Nanowoltomierz selektywny lub homodynowy (lock-in) do pomiaru fotonapięcia badanej fotodiody lub fotonapięcia z termopary.
Badane fotodiody. Każda fotodioda ma inną powierzchnię światłoczułą. Należy zmierzyć tę powierzchnię przy pomocy mikroskopu.
Kat bryłowy wejściowy monochromatora: 0.125 sr
2 Przebieg ćwiczenia:
1. Pomiar charakterystyki spektralnej czułości względnej fotodiody.
Zestawić układ wg. schematu przedstawionego na rys.1, stosując jako źródło światła halogen.
Zmierzyć wejściowy kąt bryłowy wiązki padającej na szczelinę wejściową monochromatora i porównać z kątem bryłowym monochromatora. W tym celu należy zmierzyć średnicę zwierciadła Z oraz jego odległość od szczeliny.
Rys.1.Schemat układu do pomiaru widma czułości spektralnej fotodiody
ustawić na zasilaczu halogenu napięcie U = 10V
otworzyć szczeliny monochromatora. Ustawić szerokość szczelin monochromatora na 0.7 mm
oświetlić fotodiodę światłem o długości fali z zakresu widzialnego. W tym celu wybrać odpowiednią długość fali monochromatora i ustawić badaną fotodiodę naprzeciw szczeliny wyjściowej monochromatora, tak aby optymalnie ją oświetlić.
połączyć wyjście z modulatora z wejściem REF nanowoltomierza homodynowego. Jeśli pomiar odbywa się za pomocą nanowoltomierza selektywnego nie łączymy wyjścia modulatora z tym miernikiem
ustawić maksymalny zakres pomiarowy na nanowoltomierzu. W panelu przycisków wybrać przycisk DC.ZERO
połączyć wyjście fotodiody z wejściem nanowoltomierza
włączyć nanowoltomierz, włączając przycisk REC.
ustawić pokrętło przesunięcia fazowego PHASE SHIFT lock-in’a w takim położeniu, przy którym sygnał na wyjściu fotodiody jest największy. Jeśli pomiar wykonuje się przy pomocy nanowoltomierza selektywnego, ustawić pokrętło FREQUENCY na
3
częstotliwość bliską częstotliwości modulatora w położeniu, przy którym sygnał na wyjściu fotodiody jest największy
jeśli na największym zakresie pomiarowym sygnał jest bliski zeru, zmniejszać skokowo zakres pomiarowy, tak aby wychylenie wskazówki osiągnęło wartość równą ok. 2/3 zakresu pomiarowego.
skorygować położenie fotodiody tak, aby uzyskać maksymalne napięcie na wyjściu.
Zmierzyć fotonapięcie Ud na wyjściu badanej fotodiody w funkcji długości fali w zakresie od 0.52 m aż do długości fali przy której sygnał spadnie do poziomu tła.
Zmierzyć charakterystykę spektralną źródła i monochromatora dla tych samych długości fal dla których zmierzono sygnał z fotodiody. W tym celu należy zmierzyć fotonapięcie na wyjściu detektora termicznego, UT, którym w tym układzie pomiarowym jest termopara, postępując podobnie jak przy pomiarze fotonapięcia fotodiody. Pomiar należy wykonać w funkcji długości fali dla tych samych długości fal, dla których wykonano pomiar sygnału na wyjściu fotodiody.
Pomiar sygnału przy pomocy karty pomiarowej lock-in
Połączyć wejście REF karty pomiarowej z wyjściem modulatora a wejście SIGNAL karty z badaną fotodiodą lub termoparą (przewody łączące zostały odpowiednio oznakowane).
Po oświetleniu czujnika wykonać pomiar charakterystyki widmowej w zakresie długości od 0.52 m aż do długości fali przy której sygnał spadnie do poziomu tła.
2. Wyznaczenie bezwzględnej czułości fotodiody
Dla długości fali wskazanej przez prowadzącego, wyznaczyć wartość bezwzględną czułości fotodiody. W tym celu należy zmierzyć sygnał na wyjściu fotodiody a następnie termopary ustawiając je w tej samej odległości od szczeliny wyjściowej monochromatora tak, aby cała powierzchnia była oświetlona.
3. Pomiar rezystancji różniczkowej badanej fotodiody.
Zmierzyć charakterystykę prądowo – napięciową ciemną fotodiody w zakresie od –10mV do +10mV. Z zakresu prostoliniowego wyznaczyć jego oporność ciemną różniczkową ze wzoru (4). Na rys. 2 przedstawiono schemat układu do pomiaru charakterystyk I-V fotodiody w
4
pobliżu zerowej polaryzacji. Pomiar wykonuje się metodą techniczną z dokładnym pomiarem prądu.
Rys.2. Schemat układu do pomiaru rezystancji różniczkowej fotodiody
Opracowanie wyników:
1. Wykreślić charakterystykę spektralną źródła światła + monochromator, tzn. narysować wykres napięcia na wyjściu detektora termicznego w funkcji długości fali.
2. Obliczyć czułość względną fotodiody korzystając ze wzoru (1). Narysować wykres zależności czułości względnej od długości fali.
3. Z odcięcia długofalowej krawędzi czułości względnej wyznaczyć przerwę energetyczną materiału z którego wykonana została fotodioda. Zidentyfikować materiał półprzewodnikowy z którego została wykonana.
4. Obliczyć wydajność kwantową ze wzoru (3). Narysować zależność wydajności kwantowej od długości fali
5. Zakładając dominację szumów termicznych obliczyć detekcyjność znormalizowaną fotodiody dla tej długości fali ze wzoru (5).
6. Przeprowadzić dyskusję otrzymanych wyników. Porównać parametry badanej fotodiody z odpowiednimi danymi literaturowymi dla innych fotoprzetworników na podobny zakres spektralny.
7. Obliczyć bryłowy kąt wejściowy układu lustro-szczelina wejściowa monochromatora.
Porównać z kątem bryłowym wejściowym monochromatora.
8. Wykonać obliczenia niepewności wszystkich wyznaczanych wielkości ! Zaznaczyć niepewności na wykresach.
5
WZORY KONIECZNE DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA.
1. Spektralna czułość napięciowa 𝑅𝑣(𝜆):
𝑅𝑣(𝜆) = 𝑅𝑣𝑇(𝜆)𝑈𝑑𝐴𝑇
𝑈𝑇𝐴𝑑[V W⁄ ] , (1)
gdzie 𝑅𝑣𝑇(𝜆) – czułość spektralna detektora termicznego (termopary lub detektora piroelektrycznego), 𝐴𝑇 i 𝐴𝑑 – oświetlone powierzchnie detektora termicznego i fotodiody.
2. Jak uwzględnić wzmocnienie przedwzmacniacza?
Jeśli napięcie na wyjściu czujnika jest wzmocnione przez wzmacniacz o wzmocnieniu 𝑘 [dB]
i jego wartość zmierzona wynosi 𝑈𝑚, wówczas napięcie rzeczywiste na detektorze 𝑈𝑑 jest równe:
𝑘 [dB] = 10𝑙𝑔 (𝑈𝑚2
𝑈𝑑2) = 20𝑙𝑔 (𝑈𝑚
𝑈𝑑) ⟹ 𝑙𝑔 (𝑈𝑚
𝑈𝑑) = 𝑘
20 ⟹ 𝑈𝑑 = 𝑈𝑚∙ 10−𝑘 20⁄ , (2) ( Np. jeśli 𝑘 = 20 ⟹ 𝑈𝑑 = 𝑈𝑚/10).
3. Wydajność kwantowa fotodiody:
𝜂 = ℎ𝑐
𝑞𝜆𝑅𝑣(𝜆)1𝑅 , (3)
gdzie ℎ –stała Plancka, 𝑐 – prędkość światła, – ładunek elektronu, 𝜆 - długość fali, 𝑅𝑣(𝜆) - spektralna czułość napięciowa detektora, 𝑅- rezystancja różniczkowa fotodiody nieoświetlonej:
𝑅 = (𝑑𝐼
𝑑𝑈)
𝑈=𝑜
−1
. (4)
4. Detekcyjność znormalizowana
Przy założeniu, że dominują szumy termiczne detekcyjność znormalizowana detektora fotowoltaicznego wyraża się wzorem:
𝐷∗(𝜆) =𝜂𝜆𝑞2ℎ𝑐(𝑅𝐴
𝑘𝑇)1 2⁄ [Hz1 2⁄ /W] . (5) gdzie 𝑅 jest rezystancją różniczkową detektora nieoświetlonego, 𝑘 – stałą Boltzmanna, 𝑇 – temperaturą pracy detektora.
Literatura: Wykłady 6a,b,c,d, 7 i 9 „Źródła i detektory” na stronie http://www.if.pwr.wroc.pl/~popko/w11/w11.html
Pytania kontrolne
1. Model pasmowy ciał stałych.
2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.
3. Złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa.
4. Oddziaływanie światła z półprzewodnikiem.
5. Efekt fotowoltaiczny
