4 - Politechnika Rzeszowska

advertisement
POLITECHNIKA RZESZOWSKA
LABORATORIUM
FIZYKI CIAŁA STAŁEGO
Badanie zjawiska fotoelektrycznego
wewnętrznego
Wprowadzenie do problematyki ćwiczenia
Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne
W krystalicznych półprzewodnikach i dielektrykach występuje zjawisko
fotoelektryczne wewnętrzne. Polega ono na zwiększaniu przewodności elektrycznej
tych ciał w wyniku zwiększania się w nich liczby swobodnych nośników prądu
(elektronów przewodności i dziur). Zjawisko to nazywane jest często
fotoprzewodnictwem. Można je wyjaśnić na podstawie pasmowej teorii
krystalicznych ciał stałych. Przypomnieć należy, że w dielektryku i półprzewodniku
bezpostaciowym pasmo przewodnictwa nie zawiera elektronów, a leżące poniżej
następne pasmo (walencyjne) jest całkowicie zapełnione elektronami (rys. a).
Różnica Wa pomiędzy energiami niższego poziomu pasma przewodnictwa
i górnego poziomu pasma walencyjnego nazywa się energią aktywacji
przewodnictwa substancji.
Energia Wa jest nieznacznie mniejsza w półprzewodnikach niż
w dielektrykach. Elektron pochłaniając foton o energii h* υ ≥ Wa, może zostać
przeniesiony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Tak, więc pod
wpływem działania światła w paśmie przewodnictwa pojawiają się elektrony,
w paśmie walencyjnym - dodatnie dziury. Te pary przeciwnie naładowanych
nośników prądu mogą pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego poruszać się
w sposób uporządkowany. Ruch taki jest prądem elektrycznym. Koncentracja
elektronów przewodnictwa i dziur oraz zależne od nich przewodnictwo elektryczne
substancji są proporcjonalne do liczby fotonów padających na jednostkę
powierzchni w jednostce czasu - to znaczy do natężenia światła
monochromatycznego. Czerwoną granicą dla fotoprzewodności jest υ0 = Wa/h.
W półprzewodnikach domieszkowych o niewielkiej ilości domieszek
prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonów przez atomy domieszek jest niewielkie.
Zmiana przewodnictwa wywołana działaniem światła występuje głównie w wyniku
przenoszenia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia oraz
tworzenia par różnoimiennych nośników prądu-elektronów przewodnictwa i dziur.
Jednak charakter
przewodnictwa w elektronowych półprzewodnikach
domieszkowych (typu n) i dziurawych (typu p), jest różny.
W półprzewodniku elektronowym występują domieszkowe, donorowe
poziomy energetyczne znajdujące się blisko „dna" pasma przewodnictwa, które
obsadzone są elektronami (rys. b). W procesie tworzenia się par elektron-dziura pod
2
wpływem działania światła dodatnie dziury rekombinują z elektronami domieszek
donorowych. Powoduje to, że przewodnictwo półprzewodnika typu n ma charakter
czysto elektronowy. W półprzewodniku dziurowym pochłaniane kwanty powodują
przejście części elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, w
wyniku czego powstają puste domieszkowe poziomy akceptorowe b, położone w
górnej części pasma walencyjnego (rys. b). Równocześnie w paśmie walencyjnym
tworzą się „dziury dodatnie". Przewodnictwo półprzewodnika typu p jest, jak
widzimy, często typu dziurowego.
Specjalnie interesujące dla techniki jest zaworowe zjawisko fotoelektryczne
(zjawisko fotoelektryczne w warstwie zaporowej) polegające na znikaniu siły
elektromotorycznej wywołanej zjawiskiem fotoelektrycznym wewnętrznym,
zachodzącym w pobliżu powierzchni styku metalu i półprzewodnika lub dwu
półprzewodników typów p i n. Styk ten przewodzi tylko w jednym kierunku.
Przewodnictwo takich styków jest jednokierunkowe, gdyż przylegające do
powierzchni styku warstwy półprzewodnika są uboższe w ruchliwe nośniki prądu
(elektrony przewodnictwa i dziury). Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne powoduje
w półprzewodniku zachwianie równomierności rozkładu nośników prądu w
obszarze styku i prowadzi do zmiany kontaktowej różnicy potencjałów, a więc
pojawia się siła fotoelektromotoryczna. Wartość siły fotoelektromotorycznej
wywołanej działaniem światła monochromatycznego jest proporcjonalna do jego
natężenia, ponieważ zależy od liczby fotonów padających w ciągu jednostki czasu
na jednostkę powierzchni warstwy styku. Nisko-falowa granica zjawiska jest
określona wartością Wa „luki" energetycznej pomiędzy pasmem walencyjnym, a
pasmem przewodnictwa półprzewodnika.
Zjawisko fotoelektryczne znalazło szerokie zastosowanie w nauce i technice
w rejestracji i pomiarach strumieni świetlnych, w bezpośrednim przekształcaniu
energii świetlnej w energię elektryczną oraz w przekształcaniu sygnałów świetlnych
w elektryczne.
Charakterystyka niektórych przyrządów optoelektronicznych
1. Fotodiody
Fotodiody są to diody, w których wykorzystuje się wewnętrzne zjawisko
fotoelektryczne. Promieniowanie świetlne padające na spolaryzowane zaporowo
złącze P – n powoduje prawie liniowy wzrost prądu wstecznego w funkcji mocy
promieniowania.
3
Rys. 1.1. Zasada działania fotodiody
Rys. 1.2. Charakterystyki statyczne fotodiody: a) prądowo napięciowa, b) zależności
prądu wstecznego od natężenia oświetlenia, c) zależności napięcia fotoelektrycznego
od natężenia oświetlenia
Przy braku oświetlenia w fotodiodzie płynie niewielki prąd ciemny, który tworzą
głównie nośniki mniejszościowe.
W przypadku oświetlenia złącza p – n, generowane nośniki nadmiarowe po obu
stronach złącza dyfundują do warstwy zaporowej i są przenoszone przez pole
elektryczne na drugą stronę, zwiększając prąd nasycenia Powoduje to przesunięcie
charakterystyk w stronę prądów ujemnych złącza o wartość prądu fotoelektrycznego,
a charakterystyka przecina oś napięć przy pewnym napięciu dodatnim (rys.1.2.a) U
zwanym napięciem fotoelektrycznym fotodiody. Charakterystyki statyczne
fotodiody przedstawia rys. 1.2. Wartością, do której zdąża napięcie fotoelektryczne
przy wzroście natężenia oświetlenia jest napięcie bariery potencjału złącza.
4
Pojawienie się napięcia na złączu pod wpływem oświetlenia jest nazywane efektem
fotowoltaicznym.
Oprócz fotodiod konwencjonalnych występują także fotodiody lawinowe
i fotodiody typu p- i – n. W fotodiodach lawinowych wykorzystuje się prócz
wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego, zjawisko powielania nośników ładunku..
fotodiody te wykorzystuje się w przypadku wykrywania sygnałów optycznych o
bardzo niskim poziomie natężenia promieniowania. W fotodiodach p-i-n, dzięki
zastosowaniu szerokiego obszaru wysokorezystywnego, uzyskuje się większą
czułość i prędkość działania oraz węższą charakterystykę widmową niż fotodiody
konwencjonalne.
2. Fototranzystory
W fototranzystorach promieniowanie świetlne może padać na obszar bazy, obszar
emitera lub obszar kolektora.
Rys. 2.1. Zasada działania fototranzystora
Rys. 2.2. Charakterystyka prądowo – napięciowa fototranzystora
5
Najbardziej rozpowszechnionym jest układ o wspólnym emiterze, w którym
obszarem oświetlanym jest obszar bazy. Charakterystyki prądowo – napięciowe
fototranzystora
przedstawia
rys.
2.2.
Rozróżniamy
fototranzystor
a wyprowadzoną bazą, w którym oprócz sterowania światłem można dodatkowo
sterować prądem bazy jak w zwykłym tranzystorze, oraz fototranzystory,
w których baza nie jest wyprowadzona na zewnątrz Prąd kolektora fototranzystora
sterowanego tylko światłem wynosi :
Gdzie :
ICE0 – prąd ciemny tranzystora,
Ipo – pierwotny prąd fototranzystora.
Duża czułość fototranzystorów okupiona jest zmniejszeniem szybkości działania.
Częstotliwość graniczna pracy przeciętnego fototranzystora jest około β razy
mniejsza niż fotodiody.
Dla fototranzystora określa się następujące parametry:
 Prąd ciemny Io dla E = 0,
 Czułość dIc / dE,
 Napięcie maksymalne Uce,
 Moc strat Pc,
 Zakres temperatur pracy,
 Czułość widmowa.
3. Fotorezystory
Działanie fotorezystorów opiera się na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym
polegającym na zmniejszeniu się rezystancji (rezystywności właściwej)
półprzewodnika w stopniu zależnym od mocy padającego promieniowania. Padające
na półprzewodnik fotony powodują rozrywanie wiązań kowaletnych,
w wyniku czego tworzą się dodatkowe, oprócz generowanych termicznie , pary
dziura – elektron. Zwiększona tak ilość nośników prądu powoduje zmniejszenie
rezystancji elementu. Rezystancja typowych fotorezystorów zmienia się o kilka
rzędów przy zmianie natężenia oświetlenia o 1000 lx.
Najczęściej stosowanymi półprzewodnikami do budowy fotorezystorów są :PbS,
PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe. Dobór materiału półprzewodnikowego podyktowana
jest przede wszystkim widmowym zakresem pracy, do którego detekcji
przeznaczony jest fotorezystor.
Fotorezystory możemy podzielić na fotorezystory samoistne wykonane
z półprzewodnika samoistnego oraz fotorezystory domieszkowane wykonane
z półprzewodnika domieszkowanego.
6
Rys. 3.1. Zasada działania fotorezystora: a) budowa, b) grzebieniowy kształt elektrod.
Charakterystyki fotorezystora przedstawia rys. 3.2.
Rys. 3.2. Charakterystyki fotorezystora: a) prądowo – napięciowa przy stałym natężeniu,
b) rezystancji od natężenia oświetlenia, c) świetlna
Charakterystyki prądowo – napięciowe przy stałym oświetleniu rezystora są liniowe,
gdyż cały jego obszar roboczy jest jednorodny. W zależności od natężenia
oświetlenia charakterystyki te zmieniają nachylenie (rys. 3.2. a). Charakterystykę
prądowo- napięciową możemy opisać zależnością:
Gdzie :
E – natężenie promieniowania,
G – (0,5 – 1) – współczynnik zależny od typu fotorezystora.
Nachylenie charakterystyk z rys.3.2.b jest czułością rezystancyjną . Nachylenie
charakterystyki z rys 3.2.c jest czułością prądową fotorezystora. Czułość zależy od
długości fali promieniowania, natężenia oświetlenia, rodzaju półprzewodnika oraz
temperatury.
Najważniejszymi parametrami fotorezystorów są:
 Dopuszczalne napięcie pracy – Ud,
 Dopuszczalna moc elektryczna wydzielana na fotorezystorze – Pad,
 Prąd ciemny fotorezystora przy danym napięciu i temperaturze pracy,
 Maksymalne napięcie szumów.
7
Zalety przyrządów półprzewodnikowych optoelektronicznych:
 duża trwałość i niezawodność,
 małe rozmiary i ciężar,
 niskie napięcia zasilania, zbliżone do napięć stosowanych w układach
scalonych,
 duża sprawność,
 duża szybkość działania.
Metodologia wykonania ćwiczenia
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania różnych fotoelementów oraz
wyznaczanie na podstawie pomiarów ich podstawowych charakterystyk.
Przebieg ćwiczenia
1. Badanie fotorezystora
a) pomiar charakterystyki oświetleniowej
Zasilacz
regulowa
ny

Rys.5 Schemat blokowy układu do badania fotorezystora
Potencjometrem zasilacza nastawiać kolejne wartości natężenia oświetlenia, którego
wartość mierzy się luksomierzem, a następnie odczytywać rezystancję fotorezystora.
Wyniki pomiarów wpisywać do tabeli 1.
Tabela 1:
Eν
R
lux

ΔEυ = ±
ΔR = ±
8
b) pomiar charakterystyki prądowo – napięciowej
A
Zasilacz
regulowany
V
Rys.6 Schemat blokowy układu do badania ch-ki pradowo-napięciowej fotorezystora
Ustawić dowolną wartość natężenia oświetlenia a następnie utrzymując ją na stałym
poziomie zmieniać za pomocą potencjometru wartości napięcia i prądu płynącego
przez fotorezystor. Czynności powtórzyć dla innej wartości natężenia oświetlenia.
Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.
Tabela 2:
Eν1=....lux
Eν2=....lux
U
I
U
I
V
μA
V
μA
ΔU = ±
ΔI = ±
Po wykonaniu pomiarów należy wykreślić charakterystyki R=f(Eν) i I  f (U) E
 const
2. Badanie fotodiody
a) pomiar charakterystyki oświetleniowej
Uwaga: Napięcie zasilania od strony diody (UR) nie powinno przekraczać 0,9 V.
A
Zasilacz
regulowany
V
Rys.7 Schemat blokowy układu do badania fotodiody
Potencjometrem zasilacza nastawiać kolejne wartości natężenia oświetlenia którego
wartość mierzy się luksomierzem, a następnie odczytywać natężenie prądu
płynącego przez fotodiodę. Napięcie na zaciskach fotodiody powinno być
niezmienne w trakcie przeprowadzania pomiarów. Wyniki wpisujemy do tabeli
9
Tabela 3:
UR=....V
Eν lux
IR mA
ΔEυ = ±
ΔIR = ±
b) charakterystyka prądowo – napięciowa
A
Zasilacz
regulowany
V
Rys.8 Schemat blokowy układu do badania ch-ki prądowo-napięciowej fotodiody
Uwaga: Napięcie zasilania od strony diody (UR) nie powinno przekraczać 0,9V.
Ustawić dowolną wartość natężenia oświetlenia a następnie utrzymując ją na stałym
poziomie zmieniać za pomocą potencjometru wartości napięcia i prądu płynącego
przez diodę. Czynności powtórzyć dla innej wartości natężenia oświetlenia. Wyniki
pomiarów wpisać do tabeli.
Tabela 4:
Eν1=....lux
Eν2=....lux
UR
IR
UR
IR
V
mA
V
mA
ΔUR = ±
ΔIR = ±
Po wykonaniu pomiarów należy wykreślić charakterystyki I R  f (E  ) U
i I R  f (U R ) E
R const
 const
10
3. Badanie fototranzystora
a) pomiar charakterystyki oświetleniowej
Uwaga:
Napięcie zasilania od strony fototranzystora (UCE) nie powinno przekraczać 20V.
A
Zasilacz
regulowany
V
Rys.9 Schemat blokowy układu do badania charakterystyk fototranzystora
Potencjometrem zasilacza nastawiać kolejne wartości natężenia oświetlenia, którego
wartość mierzy się luksomierzem, a następnie odczytujemy natężenie prądu IC
płynącego przez kolektor fototranzystora. Napięcie pomiędzy kolektorem i emiterem
UCE powinno być niezmienne w trakcie przeprowadzania pomiarów. Wyniki
wpisujemy do tabeli.
Tabela 5:
UCE=....V
Eν lux
IC mA
ΔEυ = ±
ΔIC = ±
b) charakterystyka prądowo – napięciowa
Schemat układu pomiarowego pozostaje bez zmian
Uwaga:
Napięcie zasilania od strony fototranzystora (UCE) nie powinno przekraczać 20V.
Ustawić dowolną wartość natężenia oświetlenia a następnie utrzymując ją na
stałym poziomie zmieniać za pomocą potencjometru wartości napięcia i prądu
płynącego przez fototranzystor. Czynności powtórzyć dla innej wartości natężenia
oświetlenia. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli.
11
Tabela 6:
UCE
IC
UCE
Eν2=....lux
IC
Eν1=....lux
V
mA
V
mA
ΔUCE = ±
ΔIC = ±
Po wykonaniu pomiarów należy wykreślić charakterystyki I C  f (E  ) U
i I C  f (U CE ) E
CE const
 const
Oszacowane błędy należy zaznaczyć na wykresach otrzymanych charakterystyk
5. Opracowanie wyników pomiarów
Po narysowaniu odpowiednich charakterystyk na ich podstawie odpowiedzieć na
następujące pytania:
1. Jaki jest wpływ oświetlenia na rezystancję fotorezystora i z czego wynika?
2. Od czego zależy natężenie prądu płynącego przez fotorezystor?
3. Co to jest „prąd ciemny” fotodiody i jak wytłumaczyć jego istnienie?
4. Omówić charakterystyki fotodiody.
5. Omówić charakterystyki fototranzystora.
Literatura
1. BADŹMIROWSKI K. , KOŁODZIEJSKI J., SPIRALSKI L., STOLARSKI E.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Miernictwo elementów półprzewodnikowych i układów scalonych. Warszawa
WKŁ 1984.
TIETZE URLICH SCHRENK CHRISTOPH: Układy półprzewodnikowe
WNTwydanie 3 - 06.2006, dodruk 10.2006
BERNARD ZIĘTEK : Optoelektronika. Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja
Kopernika 2006
ANDRZEJ FILIPKOWSKI: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe
WNT wyd. 4 - 09.2006
FABIJAŃSKI PAWEŁ, WÓJCIAK ANDRZEJ: Podstawy elektroniki
REA
02.2006
BARANOWSKI JERZY, KALINOWSKI BOGUSŁAW, NOSAL ZBIGNIEW:
Układy elektroniczne WNT 01.2006
A.CHWALEBA, B. MOESCHKE, M. PILAWSKI: Pracownia elektroniczna –
elementy układów elektronicznych WSiP 1998
12
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

Create flashcards