Praktikum III - Optika

Transkript

1 Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky M UK Praktikum III - Optika Úloha č. 5 Název: Charakteristiky optoelektronických součástek Pracoval: Matyáš Řehák stud.sk.: 13 dne: Odevzdal dne:... možný počet bodů udělený počet bodů Práce při měření Teoretická část Výsledky měření Diskuse výsledků Závěr Seznam použité literatury Celkem max. 2 2 Posuzoval:... dne:...

2 Pracovní úkol 1) Změřte voltampérové a světelné charakteristiky připravených luminiscenčních diod v propustném směru a určete, z jakého materiálu jsou jednotlivé diody zhotoveny. 2) Ze změřených V-A charakteristik určete pro jednotlivé diody statický odpor R d, dynamický odpor R di, hodnotu konstanty n a prahové napětí U*. 3) Změřte charakteristiky fototranzistoru při třech různých hladinách osvětlení. 4) Naměřené charakteristiky zpracujte graficky. Nezapomeňte na graf ln(i ) vs. U. Teorie (viz. [1]) Luminiscenční dioda unguje na principu zářivé rekombinace nosičů náboje v oblasti P-N přechodu. V propustném směru se dá voltampérová charakteristika vyjádřit vztahem: ( I R ) e U S I = I exp 1, (1) nkt kde I je proud tekoucí přechodem, I zbytkový proud, k Boltzmannova konstanta, e náboj elektronu, T absolutní teplota, U napětí na diodě, R S sériový odpor diody. Pokud platí, že eu 4kT, rovnice (1) se zjednoduší na tvar: I eu = I exp. (2) nkt Bezrozměrná konstanta n zahrnuje všechny faktory definují konkrétní diodu materiál, výrobní technologie, geometrie atd. Sériový statický odpor je definován: R =, (3) d U I kde U a I jsou pracovní body. Sériový dynamický odpor: du R di =. (4) di I Z rovnic (3) a (4) lze určit vztah mezi statickým a dynamickým odporem jako: nkt R di = Rd. (5) eu Ze vztahu (2) lze vyjádřit n:

3 ( U ) 1 2. e U n = (6) I 1 kt ln I 2 Ze vztahů (3), (4), (6) můžeme z naměřené voltampérové charakteristiky stanovit R d, R di a n. Prahové napětí U* je určeno průnikem směrnice části voltampérové charakteristiky, jež je lineární, s vodorovnou osou. Je přibližně rovno šířce zakázaného pásu polovodiče. ototranzistor Při osvětlení fototranzistoru vznikají v bázi, kde je světlo pohlcováno, páry minoritních nosičů proudu, jež přetékají do kolektoru a vytvářejí primární fotoproud I Φ. Majoritní nosiče zůstávají v bázi a snižují potenciálovou bariéru. Takto dochází k zesílení primárního fotoproudu. Mezi zesíleným kolektorovým proudem I CO a fotoporoudem pak platí následující přibližný vztah: I CO = GI, (7) Φ kde G je zisk tranzistoru. Pokud zkratujeme editor s bází, můžeme měřit primární fotoproud. Pokud určíme při témže napětí I Φ a I CO, můžeme určit G. Výsledky měření Tabulka 1: Voltampérová a světelné charakteristiky LED diod. červená LQ 1131 zelená L-934LGD σ V [V] I [ma] σ I [ma] Φ σ V [V] I [ma] σ I [ma] Φ,283,5,,1,4659,8,,1,6258,9,,1 1,5689,19,26,1 1,1465,14,1,1 1,7418,2,147,5 1,223,15,1,1 1,7822,21,25,2 1,2874,16,47,1 1,8295,21,634,4 1,37,17,265,2 1,8756,22 1,353,6 1,4168,17,787,4 1,8994,22 1,893,9 1,4343,17,129,6 1,9262,22 2,59,2 1 1,4781,18,368,2 1,9432,22 3,12,2 1 1,495,18,515,3 1,9555,23 3,55,2 2 1,515,18,682,4 1,9718,23 4,1,3 2 1,5181,18 1,38,5 1,9844,23 4,58,3 2 1,5274,18 1,327,6 1 1,9945,23 4,95,3 3 1,5395,18 1,824,8 2 2,6,5 5,26,3 3 1,5472,18 2,21,2 3 2,16,5 5,68,3 3 1,5525,19 2,54,2 3 2,28,5 6,18,3 4 1,562,19 3,6,2 4 2,34,5 6,46,4 4 1,5651,19 3,46,2 5 2,43,5 6,84,4 4 1,579,19 3,98,3 6 2,51,5 7,21,4 5

4 1,5784,19 4,71,3 8 2,64,5 7,79,4 5 1,5826,19 5,23,3 9 2,75,5 8,28,4 5 1,5874,19 5,84,3 1 2,89,5 8,93,5 6 1,596,19 6,24,3 11 2,12,5 9,56,5 6 1,5939,19 6,68,4 12 2,11,5 9,93,5 6 1,5975,19 7,2,4 13 2,12,5 1,42,5 7 1,636,19 8,12,4 15 2,129,5 1,9,5 7 1,688,19 9,7,5 17 2,14,5 11,45,6 8 1,6117,19 9,62,5 18 2,151,5 11,98,6 8 1,617,19 1,55,5 2 2,162,5 12,56,6 9 1,6191,19 11,8,5 21 2,177,5 13,36,6 9 1,6216,19 11,58,6 22 2,199,5 14,46,7 1 1,6262,19 12,5,6 24 2,227,5 15,95,7 11 1,628,19 12,96,6 25 2,252,5 17,3,8 12 1,6326,19 13,94,7 27 2,281,5 18,84,9 13 1,6344,19 14,35,7 28 2,288,5 19,47,9 13 1,6364,19 14,88,7 29 2,313,5 2,8,2 14 1,639,19 15,5,7 3 2,322,5 21,5,2 14 1,647,19 15,95,7 31 2,342,5 22,4,2 15 1,6428,19 16,44,8 32 2,36,5 23,6,2 15 1,6449,19 16,97,8 33 2,375,5 24,3,2 16 1,6465,19 17,5,8 34 2,391,5 25,3,2 16 1,6482,19 17,98,8 35 2,414,5 26,4,2 17 1,6499,19 18,51,8 36 2,423,5 27,,2 17 1,6518,2 19,6,9 37 2,447,5 28,5,2 18 1,6538,2 19,58,9 38 2,475,5 3,,2 19 1,6547,2 2,3,2 39 1,657,2 2,7,2 4 1,6586,2 21,3,2 41 1,664,2 21,9,2 42 1,6628,2 22,6,2 43 1,6645,2 23,1,2 44 1,6664,2 23,6,2 45 1,6677,2 24,1,2 46 1,6694,2 24,7,2 47 1,677,2 25,2,2 48 1,6728,2 25,9,2 49 1,6743,2 26,3,2 5 1,6752,2 27,,2 1,6787,2 27,9,2 1,6793,2 28,8,2 1,6813,2 29,5,2 1,9822,23 3,,2

5 Chyba proudu a napětí σ je určena podle manuálů k použitým digitálním přístrojům. Osvětlení bylo měřeno galvanometrem, jehož přesnost odhaduji na,5 dílku, ke konci měření červené diody byly měřené hodnoty fotoproudu mimo stupnici a měření při vyšším bylo natolik nepřesné, že jsem ho vynechal. Osvětlení je pouze v relativních jednotkách, neboť fotodioda nebyla kalibrována. Charakteristiky červené diody jsem určoval při jmenovitém proudu 2,3 ma a zelené při 2,8 ma. Tabulka 2: Charakteristiky diod LQ 1131 L-934LGD R d [Ω] 81,5 ±,7 111,2 ± 1, R di [Ω] 3,2 ±,5 18,3 ±,6 U* [V] 1,59 ±,6 1,9 ±,4 n 1,61 ±,2 1,85 ±,3 R d jdem určil dle vztahu (3). Při určování R di jsem okolí jmenovitého proudu proložil přímkou a dle vztahu (4) určil směrnici. U* jsem určil proložením celé lineární části voltampérové charakteristiky přímkou. Hodnotu n jsem určil z grafu ln(i)(u), jehož lineární část jsem proložil přímkou. Všechny chyby jsou určeny přenosem chyb z použitých vztahů a regrese. Hodnoty k a e pro určení n jsou z [2]. Protože jsem nezměřil přesnou teplotu v laboratoři, odhadl jsem ji jako (23 ± 3) C. Ze zjištěných hodnot prahových napětí vyplývá, že obě diody jsou GaAsP, přičemž v LQ 1131 je více As a v L-934LGD více P. 5 Graf 1: Charakteristiky červené diody LQ 1131 I [ma], Φ Voltampérová charakteristika Světelná charakteristika 1 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 1,7

6 Graf 2: Charakteristiky zelené diody L-934LGD Voltampérová charakteristika Světelná charakteristika I [ma], Φ ,6 1,8 2, 2,2 2,4-2 Graf 3: závislost logaritmu proudu na napětí diody LQ ,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7-6 ln(i [ma])

7 -2-4 Graf 4: Závislost logaritmu proudu na napětí diody L-934LGD 1,4 1,6 1,8 2, 2,2 2,4 2,6 ln(i [ma]) Graf 5: Voltampérové charakteristiky fototranzistoru 8 I [µa] 6 4 I =,6 ma I =,4 ma I =,2 ma Ve všech grafech jsou chybové úsečky vyznačeny jen tam, kde jsou větší než body naměřených hodnot.

8 U [mv] Tabulka 3: Charakteristiky pro fototranzistor I D =,6 ma I D =,4 ma I D =,2 ma σ U I σ I U σ U I σ I U σ U [mv] [µa] [µa] [mv] [mv] [µa] [µa] [mv] [mv] I [µa] σ I [µa] 17,1,3,25,3 18,9,3,15,3 17,2,3,5,3 32,4,3,65,3 3,8,3,25,3 33,4,3,1,3 43,1,3 1,,3 43,7,3,5,3 45,3,3,15,3 46,4,3 1,2,3 58,2,4,85,3 63,6,4,25,3 53,9,4 1,6,3 69,2,4 1,3,3 85,,4,55,3 64,8,4 2,45,3 77,3,4 1,7,3 12,8,4,9,3 7,,4 4,,3 86,,4 2,25,3 113,6,4 1,15,3 9,,4 7,5,3 95,5,4 3,5,3 123,8,4 1,4,3 95,8,4 9,,3 14,,4 4,5,3 135,6,4 1,75,3 17,5,4 12,,3 114,1,4 6,,3 156,2,5 2,3,3 128,8,4 19,,3 132,6,4 8,5,3 168,5,5 3,,3 14,5,4 23,5,3 152,1,5 12,5,3 2,3,5 4,,3 16,1, ,9,5 17,,3 248,5,5 4,5,3 177,3, ,3,5 19,5,3 876,5 1,2 4,5,3 2,5, ,3,5 23,,3 1238, 1,5 4,5,3 212,6, ,4, ,1 1,8 5,,3 236,5, ,5, ,,3 287,3, ,9 1, ,,3 47,3, ,4 1, ,,3 464,9, ,, ,7 1, ,5 1, Chyba napětí je určena podle manuálu k použitému digitálnímu přístroji. Proud byl měřen galvanometrem, jehož přesnost odhaduji na,5 dílku. I D je proud LED diodou, jež osvětlovala fototranzistor, tj. určuje osvětlení. Tabulka 4: Zisk tranzistoru I D [ma],6,4,2 I Φ [µa],25 ±,3,15 ±,3,5 ±,3 I CO [µa] 9 ± 3 35 ± 3 5, ±,3 G 36 ± ± 51 1 ± 6 I Φ je primární fotoproud, I CO kolektorový proud, G zisk tranzistoru, chyby I stejně jako v tab. 3, chyba G určena přenosem chyb ze vztahu (7). Hodnoty v tab. 4 jsou při nasyceném proudu I CO.

9 Diskuse Naměřené voltampérové charakteristiky elektroluminiscenčních diod a fototranzistoru odpovídají očekávaným. Při určování U* a n byla chyba dána zejména neurčitým přechodem k lineární závislosti. Poměrně velká nejistota při prokládání stála také za vcelku velkou chybou určení dynamického odporu. Při měření voltampérových charakteristik fototranzistoru je vidět, že v oblasti nasyceného proudu bylo měření zatíženo poměrně velkými chybami způsobenými velkým rozdílem jednotlivých rozsahů galvanometru. Naměřené hodnoty fotoproudu jsou rovněž zatíženy velkou chybou z důvodů velmi malých hodnot proudu. Závěr Změřil jsem průběh voltampérových a světelných charakteristik elektroluminiscenčních diod, zaznamenal je do grafů 1-4 a určil vlastnosti těchto diod: Statický odpor (81,5 ±,7) Ω u červéné resp. (111,2 ± 1,) Ω u zelené diody, dynamický odpor (3,2 ±,5) Ω resp. (18,3 ±,6) Ω, prahové napětí (1,59 ±,6) V resp. (1,9 ±,4) V, konstanta n (1,61 ±,2) resp. (1,85 ±,3). Změřil jsem také voltampérové charakteristiky fototranzistoru při různých hladinách osvětlení a zaznamenal je do grafu 5. Při rlzných hladinách osvětlení jsem určil zisk fototranzistoru jako (36 ± 45) resp. (233 ± 51) resp. (1 ± 6). Literatura [1] I. Pelant, V. Kohlová, J. iala, J. Pospíšil, J. ähnrich: yzikální praktikum III: Optika, Matfyzpress, Praha 25 [2] J. Brož, V. Roskovec, M. Valouch: yzikální a matematické tabulky, SNTL, Praha 198