1. Cel ćwiczenia:

Ćwiczenie umożliwia zapoznanie się z wybranymi elementami optoelektronicznymi

wraz z możliwościami ich zastosowań.

Wiadomości wstępne:

a.) Diody elektroluminescencyjne:

Dioda elektroluminescencyjna jest diodą, która emituje promieniowanie widzialne lub podczerwone. Diody elektroluminescencyjne mają charakterystyki prądowo-napięciowe jak diody zwykłe, lecz napięcie progowe jest wyższe i wynosi od około 1 do 1,8 V.

Diody wykonane z arsenku galu (GaAs) emitują promieniowanie podczerwone; z arsenku-fosforku galu, w zależności od ilości fosforu, światło czerwone lub żółte.

Diody elektroluminescencyjne należą do diod z rekombinacją bezpośrednią. W diodzie takiej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia elektrony z pasma przewodnictwa przechodzą do pasma walencyjnego. Energia elektronu jest oddawana w postaci światła. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów (rys.1.). Jest to dioda świecąca pod wpływem energii elektrycznej doprowadzonej z zewnątrz. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Istnieją diody elektroluminescencyjne próżniowe, gazowane i półprzewodnikowe. Często stosowane są półprzewodnikowe, gdyż pracują przy niewielkich napięciach (ok. 2 V) z niewielkimi prądami (kilku do kilkunastu mA), co ułatwia ich współpracę w układach tranzystorowych. Charakterystyki widmowe diod elektroluminescencyjnych przedstawiono na rys.2.

hn + - R IF + - p n R Nośniki nieruchome Dziury z obszaru p rekombinujące z elektronami hn Dziury z obszaru n rekombinujące z dziurami IF a.)	b.)

c.)

Rys.1. Dioda elektroluminescencyjna.

a) sposób włączenia, b) zasada działania, c) obudowy.

Rys.2. Ch-ki widmowe diod elektroluminescencyjnych

Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Zasada działania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku elektroluminescencji.

Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na wytwarzaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w spolaryzowanym złączu p-n. Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy powoduje wydzielenie energii w postaci światła (fotonu).

Długość fali generowanego (emitowanego) promieniowania:

(1)

przy czym:

Wg = Wc – Wv - szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja,

c – prędkość światła,

h – stała Plancka.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm – kolor niebieski do 950 nm – bliska podczerwień.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. GaAs, GaP, GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu), charakteryzujących się dużą sprawnością emisji promieniowania. Barwa promieniowania emitowanego przez diody LED zależy od materiału półprzewodnikowego. Diody emitują promieniowanie o barwach: niebieskiej, żółtej, zielonej, pomarańczowej, czerwonej. Produkuje się także diody świecące różnymi kolorami.

Charakterystyki prądowo – napięciowe diod LED (rys.3.) mają przebieg podobny do innych charakterystyk diod półprzewodnikowych. Napięcia przewodzenia UF wynoszą ok. 1,6V dla diod świecących na czerwono i ok.2,6V dla diod świecących na zielono.

Rys.3. Charakterystyka prądowo – napięciowa diody LED

Średni prąd przewodzenia IF nie powinien przekraczać 20 – 100 mA, zależnie od typu diody. W typowym układzie pracy prąd przewodzenia ogranicza się rezystorem.

Diody LED są umieszczane w obudowach: metalowych, z tworzyw sztucznych, przezroczystych, matowych (półprzezroczystych), bezbarwnych lub barwione na taki kolor jak świeci dioda. Obudowy są zamknięte soczewkami z tworzyw sztucznych, formującymi wiązkę promieniowania. Pozwalają one uzyskać optymalny kształt charakterystyki kątowej promieniowania, obrazującej przestrzenny rozkład promieniowania względem osi optycznej.

Rys.4. Charakterystyka kątowa promieniowania diody LED

Parametry optyczne:

strumień energetyczny – Se (moc emitowana przez diodę IR), wyrażamy w watach, lub strumień świetlny (moc emitowana przez diodę świecącą), wyrażamy w lumenach. Wartość mocy emitowanej przez diodę rośnie ze wzrostem prądu przewodzenia, a maleje ze wzrostem temperatury złącza;

natężenie promieniowania – Je – stosunek strumienia energetycznego do kąta bryłowego – dla diod IR, którego jednostką jest wat na steradian;

światłość – stosunek strumienia świetlnego do kąta bryłowego – dla diod LED, wyrażona w kandelach. Natężenie promieniowania i światłość zwiększają się ze wzrostem prądu przewodzenia;

połówkowa szerokość spektralna promieniowania – Dl. Jest to szerokość pasma promieniowania, definiowana jako różnica długości fal , dla których moc emitowana osiąga połowę swej wartości maksymalnej.

Parametry diody elektroluminescencyjnej określa się także na podstawie:

charakterystyki widmowej. Jest to zależność mocy emitowanej – strumienia energetycznego lub strumienia świetlnego – od długości fali emitowanego promieniowania (rys.1.).

charakterystyki kątowej promieniowania diody – zależność mocy emitowanej od wartości kąta mierzonego od osi diody (rys.4.).

Fotorezystory i fotodiody:

Fotorezystor jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora.

Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia i jest określona zależnością:

(2)

w której: G,g - wartości stałe zależne od materiału półprzewodnikowego i rodzaju domieszek, EV – natężenie oświetlenia.

Parametry fotorezystora

czułość widmowa – zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania – dobieranie ze względu na przeznaczenie fotorezystora.

rezystancja fotorezystora:

(3)

d - odstęp między elektrodami

l - szerokość elektrod

r - rezystywność półprzewodnika.

współczynnik n określany jako stosunek rezystancji przy danej wartości natężenia oświetlenia

(4)

gdzie:

RD – rezystancja ciemna

R50 – rezystancja przy natężeniu oświetleniu równym 50 lx.

Wartość rezystancji ciemnej zależy od stopnia czystości półprzewodnika. Rezystancja ciemna jest około tysiąc razy większa niż rezystancja przy oświetleniu 50 lx i zawiera się w przedziale od 106 W do 1012 W.

Na podstawie charakterystyki prądowo – napięciowej fotorezystora (rys.5.) dobiera się właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie napięć i prądów.

Rys.5. Charakterystyka prądowo – napięciowa fotorezystora.

Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych izolacyjnie np. szklane podłoże (rys.6a). Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. Elektrody te często mają kształt grzebieniowy (rys.6b). Nad powierzchnią światłoczułą umieszcza się okienko i zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami, a niekiedy umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw. naczynie Dewara).

CdS Podłoże Elektroda Elektroda hn a.)	b.)

Rys.6. Fotorezystor.

a) budowa, b) grzebieniowy kształt elektrod

Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, jak również z półprzewodników domieszkowanych np. tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią CdHgTe. Od materiału półprzewodnikowego zależy zakres widmowy lS1, lS2 wykrywanego promieniowania, czyli zakres długości fal, dla którego czułość fotorezystora wynosi nie mniej niż 10% czułości maksymalnej.

Wadą fotorezystora jest wrażliwość temperaturowa.

Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje się do:

pomiaru temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpożarowych,

wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych,

detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków,

badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów,

celów wojskowych.

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa.

Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu.

Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia.

Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny I0 wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.

P N + + + + R Jony nie -ruchome Obszar ładunku przestrzennego Promieniowanie hn Pary elektron - dziura Zasada działania fotodiody.

Rys.7. Zasada działania fotodiody.

Rys.8. Charakterystyki prądowo – napięciowej fotodiody

Parametry fotodiody

maksymalne napięcie wsteczne URmax = 10 – 500V,

maksymalny prąd ciemny IR0max = 1 – 100nA,

czułość na moc promieniowania Spe = 0,3 – 1A/W,

czułość na natężenie oświetlenia SEV = 10 – 100nA/lx

Istotną zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy. Mogą one przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz.

Natomiast wadą jest dość silna zależność prądu fotodiody od temperatury.

Zastosowanie fotodiody:

w urządzeniach komutacji optycznej,

w układach zdalnego sterowania,

w szybkich przetwornikach analogowo – cyfrowych,

w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp.

Wykonanie pomiarów:

Badanie charakterystyki diody elektroluminescencyjnej:

W układzie przedstawionym jak na rysunku zbadać charakterystyki wybranych diod elektroluminescencyjnych.

Schematy układu pomiarowego do badania własności elektrycznych diod elektroluminescencyjnych.

Charakterystyki obserwowane na ekranie oscyloskopu zamieścić w sprawozdaniu. Określić wartość napięcia przewodzenia badanej diody w zależności od koloru świecenia.

Badanie fotorezystora w układzie sterowania:

lub:

W układzie przedstawionym na rysunku poniżej obejrzeć za pomocą oscyloskopu przebieg napięcia na tranzystorze T1. Sprawdzić jak zależy wartość tego napięcia od oświetlenia fotorezystora.

Zaobserwowane przebiegi zamieścić w sprawozdaniu.

Układy do badania fotorezystora

Badanie układu sprzężenia optycznego z fotodiodą:

W układzie przedstawionym na rysunku zbadać napięcie w punkcie A dla

różnych wartości napięcia zasilającego E. Sprawdzić, jak zależy wartość tego

napięcia od napięcia źródła zasilającego diodę D1. Jaki wpływ ma to napięcie

na fotodiodę D3?

Układ do badania fotodiody

Pytania:

Co to jest charakterystyka widmowa?

Jaka jest średnia wartość prądu przewodzenia IF diody elektroluminescencyjnej?

Zasada działania fotorezystora?

Co to jest prąd fotoelektryczny?

Zasada działania fotodiody?

Jaki wpływ ma natężenie oświetlenia na pracę fotodiody a jaki na pracę fotorezystora?

ĆWICZENIE NA LABORATORIUM NPPM

Badanie elementów optoelektronicznych

www.dmcs.p.lodz.pl

Dariusz Pośpiech

2003-09-07T03:49:00