Charakteristiky optoelektronických součástek

Charakteristiky optoelektronických součástek

1. Úkol

Změřte voltampérovou, luxampérovou a směrovou vyzařovací charakteristiku luminiscenční diody a přenosovou charakteristiku optronu.

2. Postup měření

Měření voltampérové a luxampérové charakteristiky

Měření směrové vyzařovací charakteristiky LED

Měření přenosové charakteristiky optronu

3. Teoretický úvod

Luminiscenční dioda

LED dioda je zdrojem elektromagnetického záření v oblasti viditelného světla a v blízké infračervené oblasti. Luminiscenční dioda je tvořena přechodem PN, který je v provozu polarizován v propustném směru. Energetický diagram přechodu PN je na obr.1.

Nosiče proudu injektované do oblasti přechodu rekombinují, čímž vzniká záření určité vlnové délky. Frekvence emitovaného fotonu splňuje podmínku:

kde Planckova konstanta h = 6,62.10^-34 J.s, , elementární náboj e = 1,602.10^{-19 C a kde eU je rozdíl Fermiho kvazienergií oblastí N a P.}

Nejjednodušším uspořádání LED je na obr.2. Světlo vzniká v těsné blízkosti přechodu PN, prochází oblastí P a přes ochrannou vrstvu (OV) vystupuje do okolí. Energie vyzařovaného světla závisí na hloubce, v níž se nachází přechod PN, na proudu diodou a na úhlu j pod nímž záření z diody vystupuje.

K detekci dopadajícího elektromagnetického záření lze užít buďto běžnou fotodiodu, fotodiodu PIN nebo fototranzistor. Energetický diagram fotodiod v podstatě odpovídá obr.1, avšak situace je odlišná tím, že záření na přechod dopadá a je absorbováno. 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. Následkem nárůstu koncentrace minoritních nosičů se posunou energetické hladiny hranic pásů a na přechodu PN se objeví napětí.

K popisu LED se používá několik charakteristik.

Voltampérová charakteristika LED popisuje vztah napětí na diodě U₁ a proudem I₁, který diodou protéká. VA - charakteristiku reálné diody lze přibližně popsat rovnicí

Zde I₀ je nasycený závěrný proud, Boltzmanova konstanta k = 1,38.10^-23 JK^{-1 a n je číselný součinitel závislý na mechanismu transportu, pro něž platí : 1< n <2.}

Luxampérová charakteristika LED je závislost zářivého toku F, který je diodou emitován, na proudu I₁, jež při tom diodou protéká,

Na fotodiodě snímající záření diody LED vzniká napětí U_f přímo úměrné dopadajícímu světelnému toku a tedy i zářivému toku, který je LED emitován. Platí

Tvar charakteristiky se tedy nezmění, nahradíme-li zářivý tok snadněji měřitelným napětím U_f a jako luxampérovou charakteristiku budeme chápat závislost

Směrová vyzařovací charakteristika přináší informaci o nerovnoměrnosti, s níž LED září do jednotlivých směrů v prostoru. Závislost:

která tento děj popisuje, můžeme v tomto případě nahradit závislostí:

Úhel j, který zde vystupuje , je znázorněn na obr. 2.

Spektrální charakteristika popisuje spektrum vysílaného záření,

Je to informace o vlnových délkách záření, jež dioda emituje. Také zde lze zářivý tok nahradit výstupním napětím na snímacím elementu:

Kombinací LED a fotodiody (resp. fototranzistoru) vzniká optoelektronická součástka zvaná optron, obr. 3. V praxi se častěji užívá optron složený z LED a fototranzistoru (obr. 4). Pomocí optronu lze dva obvody galvanicky oddělit, ale zachovat přitom možnost přenosu signálu mezi nimi.

Přenosová charakteristika optronu je název pro závislost:

při

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 přenášet, a o zkreslení, jež při tomto přenosu vzniká.

Optron

Kombinací luminiscenční diody a fotodiody vzniká optoel. součástka zvaná optron. Pomocí optronu lze dva obvody důkladně galvanicky oddělit, ale zachovat přitom možnost přrnosu 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.

Schéma optronu:

4. Postup měření

1. Měření voltampérové a luxampérové charakteristiky

Přepínač signálu jsem přepnul do polohy „V-A“. Přepínač programovatelného proudu jsem přepnul do polohy „zdroj proudu“. Na multimetru BM 158 jsem nastavil režim měření proudu a zvolil rozsah 100 mA. Vstupní odpor jsem nastavil na 10 kW

Polohu fotodiody jsem nastavil do směru max. osvětlení (j=90°). Voltampérovou a luxampérovou charakteristiku jsem změřil při a

Zapnul jsem všechny měř. přístroje, napájecí zdroj pro programovatelný zdroj proudu a počítač. Na počítači jsem spustil obslužný program.

Před započetím měření jsem zkontroloval správou funkci aparatury tak, že po naběhnutí programu jsem nastavil velikost proudu na hodnotu 2.10^{-3 a tuto hodnotu jsem odečetl na přístroji BM 518. Na voltmetru U}₁ jsem registroval hodnotu 2V a U_f bylo přibližně 100mV. Tím jsem zjistil, že aparatura je správně propojená.

Proud diodou LED jsem měnil tak, že I_l nabýval postupně hodnoty blízké hodnotám na koncích stupnic jednotlivých rozsahů. U multimetru jsem nalezl hodnoty zadané vyučujícím.

Do tabulky jsem zapsal proud I_l a odpovídající hodnoty napětí U_l na LED a napětí U_f na fotodiodě. Na přístroji BM 545 jsem volil pouze rozsahy 10 mV nebo 100 mV.

2. Měření směrové vyzařovací charakteristiky

Měření jsem provedl při stejném zapojení jako předešlé.

Pro úhel j=0° - 180° jsem odečítal U_f, při a=0°. Totéž jsem opakoval pro a

Do polárních souřadnic jsem vynesl závislosti: U_f=U_f(j pro a a a

3. Měření přenosové charakteristiky optronu

Propojil jsem vstup modulačního napětí na programovatelném zdroji proudu s výstupem RC generátoru. Na programovatelném zdroji proudu jsem přepnul režim do funkce „Zdroj mod. napětí“. Přepínač signálu jsem přepnul do polohy „AC-char“. Zapnul jsem střídavý voltmetr a osciloskop. Na počítači jsem spustil obslužný program.

Polohu fotodiody jsem nastavil tak, aby a j=90°. Kmitočet generátoru jsem nastavil 600 až 1000 Hz s výstupní úrovní napětí U_g = 500 mV. Na osciloskopu jsem sledoval výstupní signál z fotodiody U^´_f.

Kmitočty f jsem nastavoval na RC generátoru v rozmezí 70Hz – 10 kHz. Oblast kolem 50 Hz jsem vynechal, protože se zde může projevit vliv kmitočtu sítě.

5. Použité přístroje:

Osciloskop  C1-83

Digitální voltmetr  DM1

Milivoltmetr  BM384

RC generátor  BM 534

6. Tabulky naměřených a vypočtených hodnot

Voltampérová a luxampérová charakteristika

Vyzařovací charakteristika LED

Přenosová charakteristika optronu

7. Příklady výpočtů:

U‘_{f,100 Hz} = 156,89 mV ,

8. Grafy:

---- ALFA = 90º

___ALFA = 0 º

9. Závěr

Měřili jsme voltampérovou, luxampárovou a směrovou vyzařovací charakteristiku luminiscenční diody a přenosovou charakteristiku optronu. Naměřené hodnoty jsem zanesl do tabulek a zakreslil do grafů. Číselný součinitel závislý na mechanismu transportu n=1,99, což odpovídá údaji ve skriptech (1<n<2). Na přenosové charakteristice jsme určili hodnotu U´_f100, která má hodnotu 156,89 mV a potom jsme určili hodnotu frekvence fk, jejíž velikost nám vyšla: 3400Hz.