´ N´azev a cˇ´ıslo ulohy Datum mˇerˇ en´ı Mˇerˇ en´ı provedli Vypracoval Datum Hodnocen´ı
1
9 - Detekce optick´eho z´aˇren´ı 9. 3. 2011 Tom´asˇ Zikmund, Jakub K´akona Jakub K´akona
Ovˇerˇ en´ı vlastnost´ı fotoodporu
Fotoodpor jsme zapojili s´eriovˇe s mˇerˇ´ıc´ım odporem s hodnotou Rz = 2050 Ohm. A na oba odpory pˇripojili nap´ajec´ı zdroj U0 = 10 V. Postupnˇe jsme pak mˇenili intenzitu z´aˇren´ı dopadaj´ıc´ıho na odpor pomoc´ı sˇedot´onov´ych filtr˚u a na mˇeˇr´ıc´ım odporu odeˇc´ıtali napˇet´ı digit´aln´ım multimetrem. V´ysledn´y odpor jsme pak vypoˇcetli z namˇeˇren´ych hodnot, pomoc´ı vztahu 1. Je vidˇet, zˇ e odpor fotoodporu s rostouc´ım osvˇetlen´ım kles´a a napˇet´ı na mˇeˇr´ıc´ım odporu proto roste. RF = Svˇeteln´y pˇr´ıkon[mW] 2,94 1,42 0,56 0,26 0,12 0,048 0,022
(U0 − U z)Rz Uz
Uz [V] Rozsv´ıceno 9,191 8,923 8,498 8,066 7,48 6,719 6,1
Uz [V] Zhasnuto 9,18 8,94 8,4 7,94 7,191 6,024 4,851
(1)
RF [Ohm] 180 247 362 491 690 1001 1310
Tabulka 1: Namˇeˇren´e hodnoty napˇet´ı a vypoˇcten´e hodnoty fotoodporu
2
VA charakteristika fotoodporu
Pˇri mˇeˇren´ı voltamp´erov´e charakteristiky jsme mˇeli fotoodpor pˇripojen´y ke zdroji a digit´aln´ım multimetrem jsme mˇeˇrili j´ım prot´ekaj´ıc´ı proud. Namˇeˇren´a charakteristika pro vˇetˇs´ı dopadaj´ıc´ı optick´y v´ykon se liˇs´ı od line´arn´ı z´avislosti pravdˇepodobnˇe proto, zˇ e odpor fotoodporu byl jiˇz dostateˇcnˇe n´ızk´y na to, aby prot´ekaj´ıc´ı proud mohl zp˚usobit zahˇra´ t´ı polovodiˇce a t´ım zv´ysˇen´ı prot´ekaj´ıc´ıho proudu nad oˇcek´avanou mez.
3
VA charakteristika fotodiody
Voltamp´erovou charakteristiku diody jsme meˇrili jej´ım pˇripojen´ım ke zdroji, tak aby bylo moˇzn´e amp´ermetrem mˇeˇrit prot´ekaj´ıc´ı proud. Na zdroji jsme pak postupnˇe mˇenili napˇet´ı a hodnoty proudu v z´avislosti na napˇet´ı zaznamen´avali do tabulky. Ze zobrazen´ych graf˚u je vidˇet, zˇ e fotoefekt se v propustn´em smˇeru pˇr´ıliˇs neprojevuje vzhledem k tomu, zˇ e fotoproud je zanedbateln´y v˚ucˇ i proudu, kter´y diodou prot´ek´a ze zdroje. Naopak v z´avˇern´em smˇeru je fotoefekt velmi v´yrazn´y a zp˚usobuje znaˇcnou zmˇenu protekaj´ıc´ıho proudu. Proto se cˇ asto pro detekci z´aˇren´ı pouˇz´ıv´a z´avˇernˇe polarizovan´a dioda.
1
Obr´azek 1: Z´avislost odporu fotoodporu na v´ykonu dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı 650nm
U [V] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
I[mA] 0,26 mW 0,022 mW 0 0 1,83 0,479 3,68 0,974 5,452 1,429 7,34 1,922 9,157 2,399 11,082 2,899 12,954 3,37 14,83 3,84 16,703 4,33 18,518 4,779
Tabulka 2: Namˇeˇren´e hodnoty voltamp´erov´e charakteristiky fotoodporu
2
Obr´azek 2: VA charakteristika fotoodporu pro dvˇe hodnoty v´ykonu dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı
Obr´azek 3: VA charakteristika PIN diody polarizovan´e v propustn´em smˇeru 3
Tabulka 3: Namˇeˇren´e hodnoty VA charakteristiky PIN diody
U [V] 0 -0,98 -2 -3,03 -4 -5,01 -6 -7,03 -7,98 -9,03 -10 0,53 0,6 0,69 0,82 0,9 0,97 1,12 1,2 1,3 1,4 1,5
2,94 mW I [mA] -1,074 -1,076 -1,07 -1,074 -1,074 -1,074 -1,074 -1,074 -1,074 -1,074 -1,074 0,002 0,025 0,109 0,353 0,56 0,745 1,187 1,436 1,733 2,04 2,34
0,26 mW I [mA] -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 -0,093 0,004 0,024 0,107 0,353 0,558 0,753 1,185 1,436 1,733 2,04 2,34
4
0 mW I [mA] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,004 0,024 0,109 0,353 0,558 0,749 1,18 1,436 1,733 2,041 2,342
Obr´azek 4: VA charakteristika PIN diody polarizovan´e v z´avˇern´em smˇeru
4
Spektr´aln´ı citlivost fotodiody
Pro mˇeˇren´ı spektr´aln´ı citlivosti jsme PIN diodu mˇeli zapojenou v s´erii s mˇeˇr´ıc´ım odporem a dioda byla polarizovan´a z´avˇernˇe. Diodu jsme pak osvˇetlovali r˚uzn´ymi v´ykony a mˇeˇrili prot´ekaj´ıc´ı proud pomoc´ı napˇet´ı na odporu. Tabulka 4: Namˇren´e a vypoˇcten´e hodnoty pro PIN diodu v reˇzimu fotodetektoru pro pˇr´ıpad vlnov´e d´elky 650nm Svˇeteln´y pˇr´ıkon[mW] 1,42 0,56 0,26 0,12 0,05 0,02 2,94
Id [mA] 0,51 0,20 0,09 0,04 0,02 0,01 1,08
A/W 0,36 0,36 0,36 0,35 0,36 0,34 0,37
QE 0,69 0,68 0,69 0,67 0,69 0,65 0,70
Z graf˚u je patrn´e, zˇ e pro infraˇcerven´e z´aˇren´ı je kˇrem´ıkov´a dioda citlivˇejˇs´ı, coˇz je ve shodˇe s hodnotami pˇredpov´ıdan´ymi teori´ı.
5
Tabulka 5: Namˇren´e a vypoˇcten´e hodnoty pro PIN diodu v reˇzimu fotodetektoru pro pˇr´ıpad vlnov´e d´elky 780nm Svˇeteln´y pˇr´ıkon[mW] 2,24 1,40 1,00 0,70 0,46 0,34 3,00
Id [mA] 1,10 0,67 0,52 0,37 0,23 0,17 1,61
A/W 0,49 0,48 0,52 0,52 0,50 0,49 0,54
QE 0,78 0,77 0,83 0,83 0,79 0,78 0,85
Obr´azek 5: Proudov´a odezva diody v z´avislosti na dopadaj´ıc´ım v´ykonu pro z´aˇren´ı 780nm
6
Obr´azek 6: Proudov´a odezva diody v z´avislosti na dopadaj´ıc´ım v´ykonu pro z´aˇren´ı 650nm
5
Fotovoltaick´e zapojen´ı fotodiody
PIN diodu um´ıstˇenou ve stoj´anku jsme pˇri tomto mˇeˇren´ı osvˇetlovali halogenovou zˇ a´ rovkou. A mˇeˇrili proud a napˇet´ı na v´yvodech diody pro r˚uznou velikost z´atˇezˇ ov´eho odporu. T´ım jsme dostali z´atˇezˇ ovou charakteristiku uvedenou v tabulce a grafu. Z namˇeˇren´ych hodnot je patrn´e, zˇ e nejvˇetˇs´ıho v´ykonu je dosaˇzeno v pracovn´ım bodˇe U=0,41 V, I=40,3 mA, kde je v´ykon 16,402 mW. Z toho vypl´yv´a, zˇ e pro panel s v´ykonem 1W by jsme potˇrebovali 60 kus˚u diod zapojen´ych ve tˇrech paraleln´ıch vˇetv´ıch po 20ks v s´erii.
6
Proudov´a charakteristika fototranzistoru
Pˇri mˇeˇren´ı proudov´e charakteristiky fototranzistoru jsme postupovali obdobnˇe jako pˇri mˇeˇren´ı na fotoodporu. S t´ım rozd´ılem, zˇ e nyn´ı byl Rz = 100,3 Ohm a nap´ajec´ı napˇet´ı U0 = 5 V.
Reference ˇ ´ [1] Kolektiv KFE FJFI CVUT: Uloha cˇ . 9 - Detekce optick´eho z´arˇen´ı, [online], [cit. 9. bˇrezna 2011], http://optics.fjfi.cvut.cz/files/pdf/ZPOP0 9.pdf
7
U[V] 0,00 0,56 0,56 0,57 0,45 0,50 0,53 0,54 0,34 0,32 0,37 0,42 0,44 0,41 0,40 0,58
I[mA] 51,4 7,18 3,8 2,1 34,6 24,53 16,82 11,52 46,1 47,8 43,7 39,45 36,81 40,3 41,2 0
P[mW] 0,00 4,00 2,14 1,19 15,67 12,36 8,91 6,27 15,86 15,06 16,34 16,37 16,05 16,40 16,40 0
Tabulka 6: PIN dioda ve fotovoltaick´em reˇzimu
Obr´azek 7: Charakteristiky PIN diody ve fotovoltaick´em reˇzimu
8
Svˇeteln´y pˇr´ıkon[mW] 2,94 1,42 0,56 0,26 0,12 0,048 0,022
Ur[V] 2,44 1,18 0,43 0,18 0,08 0,03 0,01
Ice [mA] 24,3 11,8 4,3 1,8 0,8 0,3 0,1
Tabulka 7: Hodnoty proudu fototranzistorem
Obr´azek 8: Proud prot´ekaj´ıc´ı fototranzistorem v z´avislosti na v´ykonu dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı
9
