F Y ZI KÁ L NÍ P RAK T I K UM Ústav fyziky FEKT VUT BRNO
Spolupracoval
×
Předn.sk.-Obor Stud.skup.
1
BIA
13
Lab.skup.
Měřeno dne
Odevzdáno dne
Učitel
Hodnocení
27.2.2007
Opravy
Kód
Jakub Dvořák
Ročník
Jan Floryček
Příprava
Jméno a příjmení
Číslo úlohy
Název úlohy
Charakteristiky optoelektronických součástek
28
Úkol Změřte voltampérovu, luxampérovu a směrovou vyzařovací charakteristiku luminiscenční diody a přenosovou charakteristiku optronu. Charakteristiky vyneste do grafu a zhodnoťte.
Teoretický rozbor V této úloze se zabýváme luminiscenční diodou, fotodiodou a jednoduchým optronem, který vznikne spojením luminiscenční diody s fotodiodou. Luminiscenční dioda LED je zdrojem elektromagnetického záření v oblasti viditelného světla a nebo v blízké infračervené oblasti. Základním materiálem pro výrobu luminiscenčních diod jsou polovodičové sloučeniny typu AIIIBV, jako např. GaAs, GaP, GaAsP a další. Luminiscenční dioda je tvořena přechodem PN, který je v provozu polarizován v propustném směru. Nosiče proudu injektované do oblasti přechodu rekombinují, čímž vzniká záření určité vlnové délky. Frekvence emitovaného fotonu splňuje podmínku:
hω = eU kde Planckova konstanta h=6,62.10-34 J.s,
h=
h , elementární náboj e =1,6.10-19 a kde eU je rozdíl 2π
Fermiho kvasienergií oblastí N a P. K detekci dopadajícího elektromagnetického záření lze užít buď běžnou fotodiodu, fotodiodu PIN nebo fototranzistor. V oblasti přechodu se objeví dvojice nosičů elektron – díra, které jsou vnitřním elektrickým polem, jež je zde přítomno, od sebe odděleny. Tím se zvětšuje počet minoritních nosičů (elektronů v oblasti P a děr v oblasti N). Následkem nárůstu koncentrace minoritních nosičů se posunou energetické hladiny hranic pásů a na přechodu PN se objeví napětí. K popisu vlastností luminiscenčních diod se používá několik charakteristik. Voltampérová charakteristika luminiscenční diody popisuje vztah mezi napětím na diodě U1 a proudem I1, který diodou protéká. Voltampérovou charakteristiku reálné diody lze přibližně popsat rovnicí: eU
I 1 = I 0 e nkT Zde I0 je nasycený závěrný proud, Boltzmannova konstanta k=1,38.10-23 JK-1 a n je číselný součinitel závislý na mechanismu transportu, pro nějž platí: 1
Směrová vyzařovací charakteristika přináší informaci o nerovnoměrnosti, s níž luminiscenční dioda září do jednotlivých směrů prostoru. Závislost Φ=Φ(ϕ) která tento děj popisuje, můžeme vzhledem k (4) i v tomto případě nahradit závislostí: Uf=Uf(ϕ) Spektrální charakteristika popisuje spektrum vysílaného záření, Φ=Φ(λ) Je to informace o vlnových délkách záření, jež dioda emituje. Také zde lze zářivý tok nahradit výstupním napětím na snímacím elementu: Uf=Uf(λ) Kombinací luminiscenční diody a fotodiody vzniká optoelektronická součástka zvaná optron. Pomocí optronu lze dva obvody důkladně galvanicky oddělit, ale zachovat přitom možnost přenosu signálu mezi nimi. Proměnným signálem se moduluje proud procházející LED diodou. Na výstupní hraně se snímá proměnná složka napětí na fotodiodě či tranzistoru. Přenosová charakteristika optronu je název pro závislost: U´f=U´f(f) při I1=konst. kde f je kmitočet harmonické složky přičítané k proudu I1 a U´f je střídavá složka napětí na výstupu optronu. Přenosová charakteristika informuje o šířce frekvenčního pásma, tedy o kmitočtech, které je optron schopen přenést, a o zkreslení, jež při tomto přenosu vzniká.
Postup měření Při měření voltampérové a luxampérové charakteristiky nastavujeme proud diodou Il a odečítáme napětí na LED Ul a napětí na fotodiodě Uf .Poloha fotodiody je nastavena do směru maximálního osvětlení (ϕ=90°). Dále je nastavena hodnota α=0°. U měření směrové vyzařovací charakteristiky LED nastavíme luminiscenční diodou jednu hodnotu proudu (15 - 30mA).Pro úhel α=0° nastavujeme ϕ = 0° až 180° a odečítáme Uf.Totéž opakujeme pro α=30°, 60° a 90°. SS. VOLTMETR MlT 330 Ul
Schéma zapojení RC GENERÁTOR Ug,f
PROGRAMOVATEL NÝ ZDROJ PROUDU A MODULÁTOR
POČÍTAČ SE SBĚNICÍ IEEE 488
SS. AMPÉRMETR BM 518 Il
SS. MILIVOTMETR BM 545 Uf STŘÍDAVÝ MILIVOTMETR U ´f
OSCILOSKOP BM 565
OPTRON α, ϕ
PŘEPÍNAČ SIGNÁLU
Voltampérova a Luxampérova charakteristika I [A] Ul [V] Uf [V] 1.99E-06 1.427 4.28E-04 4.98E-06 1.48 4.40E-04 7.98E-06 1.488 4.44E-04 1.00E-05 1.516 4.88E-04 2.00E-05 1.55 6.35E-04 3.00E-05 1.562 8.00E-04 4.00E-05 1.577 1.05E-03 5.00E-05 1.57 1.12E-03 9.96E-05 1.626 3.41E-03 2.00E-04 1.655 8.43E-03 3.00E-04 1.671 1.48E-02 5.00E-04 1.706 3.03E-02 8.00E-04 1.73 4.89E-02 1.00E-03 1.737 5.52E-02 2.00E-03 1.785 9.38E-02 3.00E-03 1.822 1.20E-01 4.00E-03 1.852 1.39E-01 5.00E-03 1.886 1.61E-01 8.00E-03 1.952 1.92E-01 1.20E-02 2.026 2.19E-01 1.50E-02 2.079 2.32E-01 1.80E-02 2.121 2.44E-01 2.00E-02 2.146 2.54E-01
Voltamperova charakteristika
1.00E-01
I [A]
1.00E-02 1.00E-03 1.00E-04 1.00E-05 1.00E-06
Uf [V]
1.4
3.00E-01 2.50E-01 2.00E-01 1.50E-01 1.00E-01 5.00E-02 0.00E+00 1.00E-06
1.5
1.6
1.7
1.8 U [V]
1.9
2
2.1
2.2
Luxampérova charakteristika
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
I [A]
1.00E-02
1.00E-01
Směrová vyzařovací charakteristika LED U [V]
φ [°]
α=0° 8.851E-02 8.645E-02 8.080E-02 7.679E-02 9.989E-02 1.330E-01 1.661E-01 1.915E-01 2.100E-01 2.161E-01 2.154E-01 2.117E-01 1.980E-01 1.778E-01 1.500E-01 1.161E-01 9.738E-02 1.001E-01 1.023E-01 1.039E-01
0 10 20 30 40 50 60 70 80 88 96 100 110 120 130 140 150 160 170 180
α=30° 8.501E-02 8.132E-02 7.161E-02 7.838E-02 1.092E-01 1.433E-01 1.729E-01 1.951E-01 2.084E-01 2.123E-01 2.065E-01 2.012E-01 1.845E-01 1.596E-01 1.250E-01 8.648E-02 8.899E-02 9.344E-02 9.534E-02 9.588E-02
α=60° 7.987E-02 7.480E-02 6.756E-02 8.832E-02 1.224E-01 1.576E-01 1.838E-01 2.011E-01 2.089E-01 2.073E-01 1.966E-01 1.897E-01 1.679E-01 1.380E-01 9.727E-02 7.676E-02 8.733E-02 9.162E-02 9.306E-02 9.254E-02
α=90° 8.243E-02 7.785E-02 7.339E-02 1.011E-01 1.362E-01 1.679E-01 1.910E-01 2.043E-01 2.079E-01 2.016E-01 1.889E-01 1.808E-01 1.551E-01 1.236E-01 8.543E-02 8.079E-02 9.063E-02 9.502E-02 9.636E-02 9.529E-02
Směrová vyzařovací charakteristika LED 0
360 350 2.50E-01
10
20
340
30
330
40
2.00E-01
320
50 1.50E-01
310 300
60 70
1.00E-01
290
80
5.00E-02
280
88 0.00E+00
270
96
260
100
250
110
240
120 230
130 220
140 210
150 200
190
170 180
160
α=0° α=30° α=60° α=90°
Přenosová charakteristika optronu f [Hz]
U [V]
9.997E+00 2.499E+01 4.000E+01 1.000E+02 2.000E+02 4.000E+02 6.000E+02 8.000E+02 1.000E+03 1.200E+03 1.800E+03 2.500E+03 4.000E+03 5.000E+03 1.000E+04 1.500E+04 4.000E+04 5.000E+04 8.000E+04 1.000E+05 3.000E+05
3.389E-02 3.362E-02 3.371E-02 3.294E-02 3.226E-02 2.955E-02 2.670E-02 2.401E-02 2.117E-02 1.893E-02 1.390E-02 1.052E-02 6.609E-03 5.398E-03 2.708E-03 1.848E-03 8.839E-04 8.104E-04 7.511E-04 7.141E-04 7.118E-04 Přenosová charakteristika optronu
100.000
U [mV]
10.000
1.000
0.100 0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
f [Hz]
Um =
U 100 2
=
3,294 ⋅10 −2 = 0,0233 V 2
Závěr Měřením jsme ověřili, že dioda LED začne svítit až při určitém napětí (prahové napětí přechodu PN) a s růstem proudu roste množství vyzařovaného světla do okolí až po určitou hodnotu, po které se množství vyzářeného světla mění jen minimálně. Měření na optronu ukázalo, že luminiscenční dioda může přenášet jen úzké kmitočtové pásmo z důvodů setrvačnosti diody LED při změně napětí na této diodě (což bylo vidět také na osciloskopu). Vlastní měření proběhlo celkem hladce, až na počáteční problémy při zapínání měřících přístrojů.
