Charakteristiky optoelektronických součástek

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM Ústav fyzikyFEKT VUT BRNO		JménoJan Kaláb			Kód72503
		Ročník1.	OborFIT	Skupina17	Oddělení
SpolupracovalTomáš Juříček		Měřeno dne27. března 2007		Odevzdáno dne20. dubna 2007
Příprava	Opravy	UčitelIng. Jitka Brüstlová, CSc.		Hodnocení
Název úlohyCharakteristiky optoelektronických součástek					Číslo úlohy28

Zadání

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

Rozbor

Luminiscenční dioda je polovodičová součástka, která při průchodu v propustném směru emituje světlo.

Fotodioda je plošná polovodičová dioda konstrukčně upravená tak, aby do oblasti PN přechodu pronikalo světlo. Pokud na ni nedopadá žádné světlo, chová se jako normální dioda. Ve chvíli kdy na ni světlo začne svítit začne růst anodový proud dle intenzity osvětlení.

Optron se skládá z LED diody a fotodiody v uzavřeném obalu. Tato součástka se v praxi používá pro galvanické oddělení dvou obvodů. Právě díky optronu je mezi nimi možné i tak přenášet signály. Nevýhodou optronu je zpoždění, a proto není možné ho použít na vyšší frekvence signálu.

Voltampérová charakteristika popisuje vztah mezi napětím na diodě U_led a proudem I_led, který diodou protéká. Matematicky to můžeme zapsat takto:

I_led = I₀⋅e^{(e⋅U)/(n⋅k⋅T)}

Kde I_led je nasycený závěrný proud, k je Boltzmannova konstanta = 1,38×10⁻²³ J⋅K⁻¹, n představuje číselný součinitel závislý na mechanizmu transportu.

Luxampérová charakteristika lze popsat jako závislost zářivého toku Φ, na proudu I_led.

Φ = Φ⋅I_led

předpoklad je, že U_f = k⋅Φ. Můžeme tedy psát U_f = U_f⋅I_led.

Spektrální charakteristika popisuje spektrum vysílaného záření Φ = Φ⋅λ. Je to informace o vlnových délkách záření jež dioda emituje.

Přenosová charakteristika optronu je závislost U_f = U_f⋅f při I_led = konst kde f je kmitočet harmonické složky přičítané k proudu I_led a U_f střídavá složka napětí na výstupu optronu. Charakteristika informuje o šířce frekvenčního pásma, tedy o kmitočtech, které je optron schopen přenášet a o zkreslení které přenosem vzniká.

Postup měření

Díky diagnostickému programu na pc, který jednak sloužil k ovládání a nastavování měřících přístrojů, jednak naměřená data přehledně zobrazuje, bylo měření opravdu jednoduché.

Nejprve jsme ověřili funkčnost všech přístrojů, hlavně přípravku s diodou a fotodiodou. Následně jsme vyzkoušeli program zda funguje a zobrazuje hodnoty.

Jako první jsme měřili voltampérovou charakteristiku. Zde jsme postupně nastavovali 20 hodnot proudu a měřili napětí na sledované diodě. Obdobně jsme postupovali při měření luxampérové charakteristiky, nyní jsme ovšem měřili napětí na fotodiodě.

Přenosová charakteristika optronu probíhala nastavováním frekvencí generované sinusovky v rozsahu od 10 Hz po 300 kHz. Pro přesné vykreslení grafu jsme naměřili celkem 20 hodnot. Výsledek se projevoval v napětí Udet na fotodiodě.

Měření vyzařovací charakteristiky LED probíhalo postupným natáčením LED diody (0, 30, 60, 90 stupňů) a natáčením fotodiody v rozsahu 0 až 180 stupňů. Měřilo se napětí na fotodiodě. Naměřené hodnoty jsem pro přehlednost zobrazil do grafu v polárních souřadnicích.

Naměřené hodnoty naleznete na dalších stranách v podobě tabulky a grafu.

Naměřené hodnoty a jejich zpracování

Voltampérová a luxampérová charakteristika

I_led [A]	U_led [V]	I_det [V]
9.925E-7	1.842E-1	1.498E-3
4.996E-4	1.048E+0	1.292E-3
9.996E-4	1.271E+0	1.492E-3
1.100E-3	1.508E+0	1.405E-3
1.250E-3	1.571E+0	1.574E-3
1.500E-3	1.639E+0	7.163E-3
1.750E-3	1.686E+0	2.655E-2
1.999E-3	1.675E+0	1.591E-2
2.998E-3	1.756E+0	9.705E-2
3.998E-3	1.795E+0	1.429E-1
4.997E-3	1.824E+0	1.708E-1
5.997E-3	1.848E+0	1.902E-1
6.996E-3	1.870E+0	2.053E-1
7.996E-3	1.890E+0	2.175E-1
8.995E-3	1.908E+0	2.279E-1
9.995E-3	1.926E+0	2.369E-1
1.099E-2	1.944E+0	2.449E-1
1.199E-2	1.961E+0	2.518E-1
1.299E-2	1.977E+0	2.581E-1
1.399E-2	1.992E+0	2.638E-1
1.499E-2	2.008E+0	2.690E-1
1.599E-2	2.023E+0	2.738E-1
1.699E-2	2.037E+0	2.783E-1
1.800E-2	2.052E+0	2.825E-1
1.900E-2	2.066E+0	2.864E-1
2.000E-2	2.079E+0	2.897E-1

Přenosová charakteristika optronu (I_led = 9 mA)

f [Hz]	U_det [mV]
10	118.7
20	119.7
40	119.9
100	119.8
250	119
500	117.2
1000	112.6
2000	103.6
3000	96.4
5000	85.47
7000	77.49
10000	68.14
15000	56.78
25000	41.92
30000	36.81
50000	24.41
100000	12.93
150000	8.71
200000	6.61
300000	4.38

Vyzařovací charakteristiky LED (I_led = 15 mA)

Natočení LED [°]	Natočení det. [°]	U_det [V]
0	0	1.769E-1
0	5	1.736E-1
0	15	1.937E-1
0	30	2.017E-1
0	40	2.005E-1
0	45	2.102E-1
0	60	2.198E-1
0	75	2.376E-1
0	85	2.369E-1
0	90	2.477E-1
0	95	2.401E-1
0	105	2.477E-1
0	120	2.395E-1
0	135	2.259E-1
0	140	2.108E-1
0	150	2.014E-1
0	165	1.669E-1
0	175	1.380E-1
0	180	1.360E-1
30	0	1.689E-1
30	5	1.685E-1
30	15	1.792E-1
30	30	1.848E-1
30	40	1.899E-1
30	45	1.951E-1
30	60	2.078E-1
30	75	2.270E-1
30	85	2.324E-1
30	90	2.385E-1
30	95	2.371E-1
30	105	2.426E-1
30	120	2.396E-1
30	135	2.275E-1
30	140	2.145E-1
30	150	2.071E-1
30	165	1.740E-1
30	175	1.406E-1
30	180	1.271E-1
60	0	1.617E-1
60	5	1.643E-1
60	15	1.824E-1
60	30	1.865E-1
60	40	1.827E-1
60	45	1.946E-1
60	60	2.095E-1
60	75	2.225E-1
60	85	2.195E-1
60	90	2.333E-1
60	95	2.264E-1
60	105	2.366E-1
60	120	2.333E-1
60	135	2.202E-1
60	140	2.123E-1
60	150	1.994E-1
60	165	1.654E-1
60	175	1.358E-1
60	180	1.210E-1
90	0	1.607E-1
90	5	1.658E-1
90	15	1.678E-1
90	30	1.729E-1
90	40	1.846E-1
90	45	1.813E-1
90	60	1.930E-1
90	75	2.093E-1
90	85	2.139E-1
90	90	2.193E-1
90	95	2.214E-1
90	105	2.250E-1
90	120	2.236E-1
90	135	2.156E-1
90	140	2.048E-1
90	150	1.969E-1
90	165	1.624E-1
90	175	1.272E-1
90	180	1.142E-1

Měřící přístroje

PC s diagnostickým programem
Voltmetr
Multimetr
Osciloskop
Proudový generátor LaPoGen 2.1
Stabilizovaný zdroj
Přípravek s ledkou a fotodiodou

Zhodnocení výsledků měření

Měření díky velmi kvalitně připravenému pracovišti proběhlo bez větších problémů. Naměřené hodnoty odpovídají tomu co jsme z teorie předpokládali pouze s minimálními.