ΑΣΚΗΣΗ 15 Μελέτη φωτοδιόδου (φωτοανιχνευτή) και διόδου εκπομπής φωτός LED Απαραίτητα όργανα και υλικά 15.1 Απαραίτητα όργανα και υλικά 1. LED, Φωτοδίοδοι (φωτοανιχνευτές). 2. Τροφοδοτικό με δύο εξόδους. 3. Δύο ψηφιακά πολύμετρα. 4. Optical power meter για τη μέτρηση της οπτικής ισχύος που προσπίπτει σε φωτοανιχνευτή 5. Οπτική ίνα. 6. Προσαρμογείς συνδέσεων. 7. Αντιστάσεις 500kΩ (δεν φαίνονται στη φωτογραφία). 15.2 Απαραίτητες γνώσεις Ηλεκτρική αγωγιμότητα στερεών, ημιαγωγοί τύπου n, ημιαγωγοί τύπου p, δίοδοι ημιαγωγών, επαφές p n, οπτικές πηγές LED, εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (φωτοαγωγιμότητα, φωτοβολταϊκό φαινόμενο), φωτοανιχνευτές. 15.3 Πείραμα 15.3.1 Σκοπός Προσδιορισμός των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών μιας φωτοδιόδου, δηλαδή της γραφικής παράστασης I=f(V), της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τη φωτοδίοδο ως συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης V για διάφορες τιμές της ισχύος P της οπτικής ακτινοβολίας. Προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της ενέργειας της φωτοδιόδου, δηλαδή των γραφικών παραστάσεων I P =f(p) και V P =f(p), του φωτορεύματος, που δίνει η φωτοδίοδος, και της φωτοβολταϊκής τάσης ως συνάρτηση της οπτικής ισχύος. 169
ΑΣΚΗΣΗ 15 Μελέτη φωτοδιόδου (φωτοανιχνευτή) και διόδου εκπομπής φωτός LED 15.3.2 Θεωρία 15.3.2.1 Εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Όταν ένας ημιαγωγός (semiconductor) φωτίζεται, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας και, γενικά, την αλλαγή των ηλεκτροφυσικών παραμέτρων του. Το φαινόμενο αυτό είναι το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (photoelectric effect), πάνω στο οποίο στηρίζεται η φωτοαγωγιμότητα (photoconductivity) και το φωτοβολταϊκό φαινόμενο (photovoltaic effect). Κατά το φαινόμενο της φωτοαγωγιμότητας, όταν φως πέφτει πάνω σε έναν ημιαγωγό, δημιουργούνται προϋποθέσεις τέτοιες, ώστε να προκαλείται αύξηση των ελευθέρων ηλεκτρικών φορέων με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο εμφανίζεται σε διατάξεις ημιαγωγών, όπως επαφές p n, και οφείλεται στο φράγμα δυναμικού που αναπτύσσεται στην περιοχή της επαφής (junction). Με την πρόσπτωση του φωτός πάνω στον ημιαγωγό, το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο διαχωρίζει τους ηλεκτρικούς φορείς που δημιουργούνται, ηλεκτρόνια, θετικές οπές. Λόγω αυτού του διαχωρισμού, παράγεται μια ηλεκτρεγερτική δύναμη που ονομάζεται φωτοηλεκτρεγερτική. Τα παραπάνω φαινόμενα, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν, βρίσκουν εφαρμογή στην κατασκευή φωτοανιχνευτικών διατάξεων. Συγκεκριμένα το φωτοβολταϊκό φαινόμενο βρίσκει εφαρμογή στις φωτοδιόδους, στα φωτοτρανσίστορ, και σε άλλες διατάξεις με επαφή p n, ενώ η φωτοαγωγιμότητα βρίσκει εφαρμογή στις φωτοαντιστάσεις. Λόγω των ιδιοτήτων τους, οι φωτοανιχνευτικές διατάξεις εφαρμόζονται με μεγάλη επιτυχία σε πολλές περιπτώσεις: Μπορούν να ανιχνεύσουν οπτικές ακτινοβολίες με μεγάλη ευαισθησία. Μετατρέπουν οπτικά σήματα σε ηλεκτρικά με μεγάλη πιστότητα. Μπορούν να κάνουν εσωτερική ενίσχυση του σήματος και, συνεπώς, έχουν μεγάλη απόδοση. Παρουσιάζουν μεγάλη σταθερότητα στις χαρακτηριστικές τους, δεδομένου ότι η επίδραση της θερμοκρασίας θεωρείται αμελητέα. Για τη λειτουργία τους χρειάζεται η εφαρμογή χαμηλής ηλεκτρικής τάσης, ενώ διατάξεις, όπως π.χ. οι φωτοδίοδοι, λειτουργούν και χωρίς την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης. Οι διαστάσεις τους είναι πολύ μικρές και προσαρμόζονται εύκολα σε διατάξεις, π.χ. σε οπτικές ίνες. Είναι αρκετά ανθεκτικές, αφού συμπληρώνουν αρκετά χρόνια λειτουργίας, όταν λειτουργούν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. 15.3.2.2 Φωτοαγωγιμότητα Έστω ότι φωτόνια με μήκος κύματος λ<λ e, πέφτουν πάνω σε ένα ημιαγωγό. Αυτά τα φωτόνια δίνουν την ενέργεια τους στα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στη ζώνη σθένους (valence band) και τα καθιστούν ικανά να μεταπηδήσουν στη ζώνη αγωγιμότητας. Δηλαδή τα φωτόνια μεταφέρουν την ενέργεια τους στα ηλεκτρόνια, διεγείρουν τα άτομα του ημιαγωγού και δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρικών φορέων (ηλεκτρόνια και θετικές οπές). Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται η αγωγιμότητα του ημιαγωγού (μετάβαση 1 στο σχήμα 15.1). Ζώνη αγωγιμότητας { Ενεργειακό χάσμα E g Ζώνη σθένους 2 1 3 E E c E v Σχήμα 15.1 Εξήγηση του φαινομένου της φωτοαγωγιμότητας. 170
Πείραμα Σε ημιαγωγούς που έχουν προσμίξεις άλλων ατόμων, όταν απορροφήσουν ακτινοβολία, η ενέργεια των φωτονίων δαπανάται και για τη διέγερση των ατόμων πρόσμιξης (μεταβάσεις 2 και 3 στο σχήμα 15.1). Για προσπίπτουσα οπτική ακτινοβολία με δεδομένο μήκος κύματος, το φωτορεύμα που δημιουργείται στον ημιαγωγό είναι ανάλογο της οπτικής ισχύος που προσπίπτει σε αυτόν. 15.3.2.3 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Στο σχήμα 15.2, οπτική ακτινοβολία πέφτει κάθετα στο επίπεδο της επαφής p n σε μία δίοδο ημιαγωγών και «φωτίζει» την περιοχή n της διόδου. Όταν το υλικό απορροφά τα φωτόνια, των οποίων η ενέργεια είναι μεγαλύτερη ή ίση από το εύρος E g του ενεργειακού χάσματος (energy gap), στην περιοχή n της διόδου εμφανίζονται ζεύγη ηλεκτρικών φορέων (ηλεκτρόνια θετικές οπές), μέχρι ένα βάθος x 0 από την επιφάνεια του ημιαγωγού. Ηλεκτρόνιο n Επαφή Θετική οπή p P opt E j x 0 Σχήμα 15.2 Εξήγηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Αυτοί οι φορείς, φωτοφορείς, διαχέονται (diffusion) μέσα στον ημιαγωγό, μέχρι να φτάσουν στην επιφάνεια επαφής. Ο ημιαγωγός πρέπει να έχει τέτοιο πάχος, ώστε ένα μεγάλο μέρος από αυτούς να φτάνει στην επαφή πριν επανασυνδεθούν. Εκεί επέρχεται ο διαχωρισμός των φωτοφορέων. Τα ηλεκτρόνια εμποδίζονται να διαχυθούν στον ημιαγωγό p από το ηλεκτρικό πεδίο επαφής E J, και έτσι αυτά συσσωρεύονται στη περιοχή του ημιαγωγού n που συνορεύει με την επαφή (βλέπε σχήμα 15.2). Αντίθετα, οι θετικές οπές επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο επαφής E J, περνάνε την επαφή και διαχέονται στον ημιαγωγό p. Επομένως παρατηρούμε ότι, το ρεύμα των φορέων που διαρρέει την επαφή p-n είναι αποτέλεσμα των φορέων μειονότητας (θετικές οπές). Ως τελικό αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι η εμφάνιση ηλεκτρικής πόλωσης στα άκρα της φωτοδιόδου, όπου ο ημιαγωγός n φορτίζεται αρνητικά και ο ημιαγωγός p φορτίζεται θετικά. Αυτή η πόλωση ονομάζεται φωτοβολταϊκή τάση και η πηγή που προκύπτει ονομάζεται φωτοβολταϊκό στοιχείο. 15.3.2.4 Φωτοδίοδοι p n Οι φωτοδίοδοι είναι φωτοευαίσθητοι δίοδοι ημιαγωγών (p n), των οποίων η λειτουργία βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Όταν δε φωτίζονται, οι δίοδοι αυτοί συμπεριφέρονται σαν κανονικοί δίοδοι, ενώ, όταν φωτίζονται, αλλάζουν την ηλεκτρική τους συμπεριφορά, εξαιτίας του εσωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου που αναπτύσσεται σε αυτές. Το φαινόμενο αυτό, όπως προαναφέραμε, μπορεί να εκδηλωθεί είτε ως φωτοβολταϊκό, όταν δεν υπάρχει εξωτερική ηλεκτρική πόλωση, είτε ως φωτοαγωγιμότητα, όταν υπάρχει πόλωση. Δηλαδή οι δίοδοι μπορούν να λειτουργήσουν είτε ως φωτοβολταϊκά στοιχεία είτε ως φωτοαγώγιμα υλικά. 171
+ ΑΣΚΗΣΗ 15 Μελέτη φωτοδιόδου (φωτοανιχνευτή) και διόδου εκπομπής φωτός LED 15.3.3 Εκτέλεση Τα κυκλώματα της πειραματικής διάταξης φαίνονται στο σχήμα 15.3. Οι αντιστάσεις R συνδέονται για την προστασία των κυκλωμάτων. R=500kΩ Οπτική ίνα A R=500kΩ P opt V + Σχήμα 15.3 Κυκλώματα φωτοεκπομπού και φωτοανιχνευτή. Το LED και η φωτοδίοδος συνδέονται με οπτική ίνα. 15.3.3.1 Ηλεκτρική χακτηριστική φωτοδιόδου 1. Τροφοδοτήστε το LED με μία τάση. Συνδέστε το LED με την οπτική ίνα (οptical fiber) στο power meter και μετρήστε τη φωτεινή ισχύ P 1. Αποσυνδέστε την οπτική ίνα από το μετρητή ισχύος. 2. Συνδέστε το LED με την οπτική ίνα στη φωτοδίοδο. 3. Η φωτοδίοδος πρέπει να πολωθεί ορθά και ανάστροφα: Πολώστε τη φωτοδίοδο ανάστροφα και μεταβάλλοντας την τάση της από V d =-4V έως V d =-1V, με βήμα +1V, και μετρήστε το αντίστοιχο ρεύμα I d που τη διαρρέει. Στη συνέχεια πάρετε περίπου πέντε μετρήσεις τάσης και ρεύματος, έως ότου να γίνει το ρεύμα I d =0μA. Πολώστε τη φωτοδίοδο ορθά και πάρετε περίπου πέντε μετρήσεις τάσης και ρεύματος έως ότου να γίνει το ρεύμα I d =20μA. 4. Επαναλάβετε τα παραπάνω βήματα για μια άλλη μεγαλύτερη ισχύ P 2, αυξάνοντας την τάση στο τροφοδοτικό του LED. 5. Καταγράψτε τις μετρήσεις σας σε πίνακα όπως ο πίνακας 15.1. P 1 (μw) P 2 (μw) V d (V) I d (μa) V d (V) I d (μa) -4... -4... -3-3 -2-2 -1-1 Πίνακας 15.1 Καταχώριση μετρήσεων. 15.3.3.2 Χαρακτηριστικές της ενέργειας του φωτοανιχνευτή Αποσυνδέστε τη φωτοδίοδο από το κύκλωμα τροφοδοσίας της. Για τις τιμές της οπτικής ισχύος, που φαίνονται στον πίνακα 15.2, την οποία θα μετράτε κάθε φορά συνδέοντας το LED με την οπτική ίνα στο power meter, να μετράτε τη φωτοβολταϊκή τάση V P και το φωτορεύμα I p στα άκρα της φωτοδιόδου. Κάθε φορά, αφού πρώτα έχετε μετρήσει την οπτική ισχύ, θα συνδέετε το LED με την οπτική ίνα στη φωτοδίοδο. 15.3.4 Επεξεργασία μετρήσεων 1. Από τις τιμές του πίνακα 15.1, να χαράξετε στο ίδιο σύστημα συντεταγμένων τις γραφικές παραστάσεις I d =f(v d ) για P 1 και P 2. 2. Από τις τιμές του πίνακα 15.2, να χαράξετε τις γραφικές παραστάσεις I p =f(p) και V p =f(p). 172
Ενδεικτική βιβλιογραφία 3. Να γράψετε τις παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τις γραφικές παραστάσεις. P 1 (μw) V p (V) I p (μa) 0,05...... 0,10 0,15 0,20 0,30 0,50 0,80 1,20 2,00 3,00 6,00 10,00 15,00 20,00 40,00 60,00 Πίνακας 15.2 Καταχώριση μετρήσεων. 15.4 Ενδεικτική βιβλιογραφία [1] M. Nelkon and P. Parker, Chapter 20: Advance Level Physics, Photo-voltaic Cells, Diffraction grating, in Advanced Level Physics, Heinemann Educational, 1995, pp. 851-852. [2] Handbook Laser Physics I, Experiments with Coherent Light, No. 01179.02, PHYWE series of publications, Göttingen: German, 1990. 173