Φωτοδίοδος 1.Σκοπός της άσκησης Ο σκοπός της άσκησης είναι να μελετήσουμε την συμπεριφορά μιας φωτιζόμενης επαφής p-n (φωτοδίοδος) όταν αυτή είναι ορθά και ανάστροφα πολωμένη και να χαράξουμε την χαρακτηριστική καμπύλη της φωτοδιόδου δηλαδή, το ρεύμα Ι που την διαρρέει (αποτέλεσμα δηλ.εξαρτημένη μεταβλητή-y) συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης (αίτιο δηλ. ανεξάρτητη μεταβλητή-x) όπως φαίνεται στο διάγραμμα b του σχήματος 2. Θα διαπιστώσουμε ότι όταν η φωτοδίοδος πολωθεί ανάστροφα τότε το ρεύμα που την διαρρέει είναι ανεξάρτητο από την εφαρμοζόμενη τάση και εξαρτάται αποκλειστικά από τον φωτισμό της φωτοδιόδου. Μία τέτοια διάταξη έχει σημαντικότατες τεχνολογικές εφαρμογές καθώς μπορεί να μετατρέψει ένα χρονικά μεταβαλλόμενο φωτεινό σήμα σε ηλεκτρικό ή να μετρήσει τα επίπεδα φωτισμού ή ακόμα να ανιχνεύει κίνηση σε συστήματα συναγερμού. 2.Θεωρητικό μέρος Προαπαιτούμενες γνώσεις (Από την άσκηση του Φωτοβολταϊκού): Ημιαγωγός γενικά, ημιαγωγός τύπου p και n, επαφή p-n, περιοχή απογύμνωσης, ρεύμα διάχυσης, ρεύμα ολίσθησης. Είδαμε στο Φωτοβολταϊκό ότι όταν φέρουμε σε επαφή έναν ημιαγωγό τύπου p με έναν ημιαγωγό τύπου n τότε αναπτύσσονται δύο ρεύματα με αντίθετες φορές: 1) ένα ρεύμα διάχυσης από τον p στον n εξαιτίας της κίνησης των οπών από τον p στον n και των ηλεκτρονίων από τον n στον p Π.Μουστάνης Σελίδα 1
2) ένα ρεύμα ολίσθησης που οφείλεται στην δημιουργία, λόγω θερμικής διέγερσης, κυρίως στο στρώμα απογύμνωσης, ηλεκτρονίων και οπών που κινούνται οι μεν οπές από τον ημιαγωγό n στον p τα δε ηλεκτρόνια από τον p στον n. Στην ισορροπία τα δύο αυτά ρεύματα έχουν αντίθετες φορές οπότε το συνολικό ρεύμα είναι μηδέν. E Σχήμα 1 2.1 Ορθή πόλωση Όταν συνδέσουμε τώρα την περιοχή p με τον θετικό πόλο μιας πηγής και την περιοχή n με τον αρνητικό, πολώσουμε δηλαδή όπως λέμε την δίοδο ορθά, τότε η ένταση του εξωτερικού πεδίου που εφαρμόζουμε αναγκάζει τις οπές να υπερνικήσουν το αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο που υπάρχει στο στρώμα απογύμνωσης και να κινηθούν από την p στην n (για τα ηλεκτρόνια ισχύει το αντίθετο). Έτσι αυξάνεται το ρεύμα διάχυσης καθώς αυξάνεται και η εξωτερική τάση (πρώτο τεταρτημόριο του σχήματος 2b) ενώ το ρεύμα ολίσθησης παραμένει ανεπηρέαστο γιατί οφείλεται σε θερμική διέγερση ηλεκτρονίων και οπών δηλαδή εξαρτάται αποκλειστικά από την θερμοκρασία (όσο πιο πολύ αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο πιο εύκολα τα ηλεκτρόνια των δεσμών φεύγουν από αυτούς δημιουργώντας έτσι ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών). Π.Μουστάνης Σελίδα 2
Σχήμα2 2.2 Ανάστροφη πόλωση Όταν πολώσουμε την δίοδο ανάστροφα, δηλαδή συνδέσουμε την περιοχή p με τον αρνητικό πόλο της πηγής και την περιοχή n με τον θετικό τότε το εξωτερικό πεδίο έχει φορά από τον n στο p και αντιτίθεται στο ρεύμα διάχυσης ενώ αφήνει ανεπηρέαστο το ρεύμα ολίσθησης το οποίο όπως είπαμε εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία (που επηρεάζει τον ρυθμό με τον οποίο δημιουργούνται οπές και ηλεκτρόνια). Έτσι λοιπόν αν αυξήσουμε σημαντικά την ανάστροφη τάση που εφαρμόζουμε μηδενίζεται το ρεύμα διάχυσης οπότε το μόνο ρεύμα που θα υπάρχει θα είναι το ρεύμα ολίσθησης ( η καμπύλη στο τρίτο τεταρτημόριο του σχήματος 2b). Αυτό το ρεύμα είπαμε εξαρτάται μόνο από τον ρυθμό με τον οποίο δημιουργούνται οπές και ηλεκτρόνια. Γεννιέται εδώ μια ενδιαφέρουσα ιδέα: να αυξήσουμε τον ρυθμό δημιουργίας ηλεκτρονίων οπών με οπτικό τρόπο και έτσι να ελέγχουμε το ρεύμα στην φωτοδίοδο ελέγχοντας την φωτεινή ροή Π.Μουστάνης Σελίδα 3
πάνω σ αυτήν. Μπορούμε λοιπόν να μετατρέψουμε ένα φωτεινό σήμα σε ηλεκτρικό σήμα. Εξηγούμε αναλυτικά την ιδέα: Όταν ένας ημιαγωγός φωτιστεί με φως κατάλληλης συχνότητας, δηλαδή τα φωτόνια να έχουν τέτοια ενέργεια ώστε να δημιουργήσουν οπές και ελεύθερα ηλεκτρόνια, τότε προκαλείται αύξηση της αγωγιμότητας του υλικού καθώς αυξάνονται οι φορείς του ρεύματος (οπές και ηλεκτρόνια). Είδαμε στην άσκηση του Φωτοβολταϊκού ότι στην περιοχή απογύμνωσης δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων οπών με τα μεν ηλεκτρόνια να κινούνται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου της περιοχής απόγύμνωσης προς την περιοχή n οι δε οπές προς την p (σχ.1) δημιουργώντας ένα ρεύμα που ονομάσαμε ρεύμα ολίσθησης με φορά από την n στην p. Αυτό το ρεύμα αυξάνεται ανάλογα με τον φωτισμό του ημιαγωγού με φωτόνια κατάλληλης ενέργειας (δηλαδή συχνότητας). Έτσι το Ι συναρτήσει του V θα είναι ανάλογο με τον αριθμό των φωτονίων που ανά δεπτερόλεπτο πέφτουν στον ημιαγωγό (και συγκεκριμένα στην περιοχή απογύμνωσης). Το ρεύμα αυτό έχει δύο συνιστώσες: το θερμικά παραγόμενο ρεύμα ολίσθησης και το ρεύμα που οφείλεται στον φωτισμό (με την ίδια φορά και τα δύο προς την περιοχή p). Όταν η ανάστροφη τάση αυξηθεί αρκετά τότε το ρεύμα αποκτά μία σταθερή τιμή που λέγεται ρεύμα κόρου. 3.Πειραματικό μέρος 3.1. Συνδεσμολογούμε τα παρακάτω κυκλώματα: Π.Μουστάνης Σελίδα 4
Στο αριστερό έχουμε μία φωτοβολούσα δίοδο (LED), μια πηγή συνεχούς ρεύματος 9Volts. Στο δεξί μέρος έχουμε μία φωτοδίοδο ανάστροφα πολωμένη η οποία όπως έχουμε πει θα διαρρέεται από το ρεύμα ολίσθησης το οποίο θα εξαρτάται από τον φωτισμό της φωτοδιόδου από το LED που και αυτό με την σειρά του εξαρτάται από το ρεύμα Ι L που διαρρέει το πρώτο κύκλωμα. 3.2 Για IL=10, 20, 25, 30mA θα παίρνουμε μετρήσεις μεταβάλλοντας κάθε φορά την τάση στα άκρα της φωτοδιόδου και συμπληρώνοντας τον παρακάτω πίνακα: IL=10mA IL=10mA IL=20mA IL=25mA IL=30ma V (Volts) I ( μα) I ( μα) I ( μα) I ( μα) 3.3 Σχεδιάζουμε όλες τις καμπύλες στο ίδιο σχέδιο (στο τρίτο τεταρτημόριο αφού V<0 και I<0). Να τονίσουμε ότι ο θετικός ημιάξονας του Ι είναι σε ma ενώ ο αρνητικός σε μα. Π.Μουστάνης Σελίδα 5
Παρατηρούμε ότι το ρεύμα στην φωτοδίοδο είναι πρακτικά ανεξάρτητο από την τιμή του ανάστροφου δυναμικού από κάποια τιμή και πάνω (δηλ. όχι για πολύ χαμηλές τιμές του V), όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, αλλά είναι ανάλογο του φωτισμού της φωτοδιόδου (από το LED). Αυτό είναι το λεγόμενο ρεύμα κόρου. 3.4 Να βρεθεί το ρεύμα κόρου για τα διάφορα ΙL, να γίνει η γραφική παράσταση Iκορου=f(IL). Ελέγξτε αν η σχέση αυτή είναι γραμμική και αν είναι να υπολογισθεί η κλίση. 3.5 Τα πολύμετρα κατά την ορθή πόλωση συνδέονται όπως στο παρακάτω σχήμα: Για σταθερό ρεύμα IL=10mA στο LED μετράμε το ρεύμα Ι συναρτήσει της τάσης V στην φωτοδίοδο και χαράσσουμε την χαρακτηριστική καμπύλη I=f(V) (στο πρώτο τεταρτημόριο). Π.Μουστάνης Σελίδα 6
I ma V Volts Παρατηρούμε ότι το ρεύμα (αποτέλεσμα) δεν είναι ανάλογο της εφαρμοζόμενης τάσης (αίτιο) δηλαδή δεν ισχύει ο νόμος του Ohm ( I 1 V ) όπως φαίνεται και R στο διάγραμμα b του σχήματος 2. Π.Μουστάνης Σελίδα 7
4. Ερωτήσεις κατανόησης 1) Εξηγείστε γιατί στο στρώμα απογύμνωσης οι οπές κινούνται από τον ημιαγωγό n στον p ενώ τα ηλεκτρόνια από τον p στον n. 2) Γιατί το ρεύμα ολίσθησης είναι ανεξάρτητο από την τάση στα άκρα της επαφής; 3) Εξαρτάται το ρεύμα κόρου από την τιμή της ανάστροφης τάσης; 4) Πώς εξαρτάται το ρεύμα κόρου από α) την ένταση της ακτινοβολίας, β) από την συχνότητα της ακτινοβολίας; Βιβλιογραφία: 1) Σημειώσεις Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Α.Παπακίτσου. 2)Solid State Electronic Devices B.Streetman, S.K.Banerjee Prentice-Hall 3)Πανεπιστημιακή Φυσική Β τόμος Young, Εκδόσεις Παπαζήση. Π.Μουστάνης Σελίδα 8