wszystkie sprawka z pracowni w zespole szkół łącznośći w krakowie klasa 3 i 4
Badanie elementów optoelektronicznych.
Opis budowy diody elektroluminescencyjnej.
Diody elektroluminescencyjne, nazywane też diodami świecącymi LED ( z
ang. Light Emitting Diode), emitują promieniowanie w zakresie
widzialnym i podczerwonym. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku
rekombinacji dziur i elektronów.
Przy spolaryzowaniu złącza PN w kierunku przewodzenia, elektrony z
obszaru N, znajdujące się w paśmie przewodnictwa, przechodzą do
obszaru P, gdzie rekombinują z dziurami, znajdującymi się w paśmie
podstawowym. Zachodzi tu zjawisko rekombinacji niepromienistej (energia
emitowana w postaci cieplnej), oraz promienistej (energia emitowana w
postaci światła). Gdy czynnikiem pobudzającym jest prąd lub pole
elektryczne, wówczas emitowane promieniowanie nazywa się
elektroluminescencją.
Barwa promieniowania emitowanego przez diody LED zależy od materiału
półprzewodnikowego. Diody wytwarzające promieniowanie widzialne
wytwarzane są z fosforku galu GaP, arsenofosforku galu GaAsP, fosforku
galowo-indowego InGaP oraz arsenku glinowo-galowego AlGaAs, natomiast
emitujące promieniowanie podczerwone – z arsenku galu GaAs
domieszkowanego cynkiem Zn i krzemem Si. Diody z GaP emitują
promieniowanie o barwie czerwonej i zielonej, a diody z GaAsP o barwie
czerwonej, pomarańczowej i żółtej.
Charakterystyki prądowo-napięciowe diody LED mają przebieg podobny do
charajterystyk innych diod półprzewodnikowych. Różnice polegają na
większych napięciach przewodzenia UF; wynoszą one ok. 1,6 V dla diod
świecących na czerwono I ok. 2,6 V dla diod świecących na zielono.
Średni prąd przewodzenia ogranicza się rezystorem. Cechą
charakterystyczną diod LED jest również mała wartość napięcia
wstecznego (URRM=3-5V).
Natężenie promieniowania IV jest proporcjonalne do prądu przewodzenia
IF w dość szerokim zakresie jego zmian. Żeby otrzymać wyraźne
świecenie wystarczające są prądy rzędy kilkunastu miliamperów.
Diody LED są umieszczane w obudowach metalowych oraz z tworzyw
sztucznych (przeźroczystych lub matowych). Obudowy są zamknięte
soczewkami z tworzyw sztucznych, bezbarwnych lub barwionych na taki
kolor, jakim świeci dioda.
Częstotliwości granuczne diod elektroluminescencyjnych wynoszą od
kilku do kilkunastu MHz. Praca impulsowa tych diod jest charakteryzowana
podobnymi parametrami jak diod impulsowych.
Diody LED są najbardziej rozpowszechnionymi elementami
optoelektronicznymi. Zastosowanie diod to:
sygnalizatory stanu pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych
(RTV, aparatura pomiarowa, wskaźniki w windach i telefonach, jako
elementy podświetlające przełączniki i skale, jako wskaźniki
poziomu cieczy itd.);
łączach światłowodowych;
w urządzeniach zdalnego sterowania (np. w alarmach);
w pilotach do urządzeń RTV.
Fototranzystor
Fototranzystor jest detektorem czułości wielokrotnie większej niż
czułość fotodiody, gdyż prąd wytworzony pod wpływem
promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.
Fototranzystory, podobnie jak tranzystory konwencjonalne, mają trzy
obszary o różnym typie przewodnictwa, z tym że obecnie produkowane
są przede wszystkim fototranzystory typu NPN. Promieniowanie świetlne
może padać na obszar bazy, kolektora lub emitera. Najbardziej
rozpowszechnionym układem fototranzystora jest układ ze wspólnym
emiterem WE i z oświetlanym obszarem bazy. Większość
fototranzystorów nie posiada wyprowadzenia bazy, Co upraszcza
zasilanie. Wielkością sterującą jest wtedy tylko oświetlenie.
Przez fototranzystor nie oświetlony płynie niewielki prąd ciemny
ICE0. Jeżeli będzie oświetlone złącze baza-emiter, to generowane w
obszarze bazy elektrony przechodzą do obszaru kolektora dzięki
polaryzacji zaporowej emitera. Część dziur z wytworzonych w obszarze
bazy par elektron-dziura pozostaje w tym obszarze, uzupełniając straty
wywołane rekombinacją. Dziury powstałe w obszarze kolektora są
przyciągane do obszaru bazy, dyfundują ku złączu emiterowemu i
przechodzą do obszaru emitera. W wyniku obniżenia bariery emiterowej,
oraz podwyższenia bariery kolektorowej do obszaru bazy wstrzykiwane są
dodatkowe elektrony. Pole elektryczne występujące w złączu
kolektorowym powoduje unoszenie elektron6w z obszaru bazy do kolektora.
Elektrony te wsp6lnie z elektronami pochodzącymi z par elektron-dziura
tworzą prąd jasny kolektor emiter ICE(e). Prąd jasny kolektor emiter
fototranzystora w układzie WE z rozwartą bazą ma wartość
ICE(e)=ICEO + (IP
Podstawowymi charakterystykami fototranzystora są charakterystyki
wyjściowe przedstawiające zależność prądu ICE(e) od napięcia
kolektor-emiter UCE. Parametrem krzywych jest natężenie oświetlenia
EV lub moc promieniowania Pe, podobnie jak prąd bazy IB tranzystor6w
konwencjonalnych. Czułość na natężenie oświetlenia Sev wynosi od
kilku do kilkuset mikroamper6w na luks, prąd ICE(e) jest rzędu kilku
do kilkudziesięciu miliamper6w, napięcie UCE nie przekracza zwykle
kilkudziesięciu woltów. Czułość ma maksimum przy długości fali (S
= 75O-9OO nm.
Wadą fototranzystor6w jest ich mała prędkość działania.
Czestot1iwość graniczna fT jest rzędu kilkudziesięciu kiloherców.
Fototranzystory stosuje się głównie w
- układach automatyki i zdalnego sterownia;
- układy pomiarowe wielkości elektrycznych i nieelektrycznych;
- przetworniki analogowo-cyfrowe;
- układy łączy optoelektronicznych;
czytniki taśm i kart kodowych itd.
Układ pomiarowy.
" Wyniki pomiarów dla diod LED : " ,,,,,,,,,
" Dioda 1 (f5 czerwona) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.61500122070313 " , " 1.78500122070312 " , " 1.88000122070313 " , " 1.92000122070312 " , " 1.94000122070312 " , " 1.96000122070312 " , " 1.98000122070313 " , " 2 " , " 2.01000122070313 " , " 2.03000122070313 " , " 2.08000122070312 " , " 2.10000122070312 " , " 2.16000122070312 " , " 2.23000122070313 " , " 2.31000122070312 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 2 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 5.5 " , " 6 " , " 7 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
,,,,,
" Dioda 2 (f10 zielona) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.648 " , " 1.808 " , " 1.89000122070312 " , " 1.93000122070312 " , " 1.94000122070312 " , " 1.95000122070312 " , " 1.96000122070312 " , " 1.98000122070313 " , " 1.99000122070313 " , " 2 " , " 2.02000122070312 " , " 2.04000122070312 " , " 2.08000122070312 " , " 2.12000122070312 " , " 2.18000122070312 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 2 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 5.5 " , " 6 " , " 7 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
" Dioda 3 (f10 czerwona) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.344 " , " 1.598 " , " 1.68000122070312 " , " 1.70000122070312 " , " 1.71000122070312 " , " 1.72000122070312 " , " 1.73000122070313 " , " 1.74000122070313 " , " 1.75 " , " 1.76000122070313 " , " 1.76000122070313 " , " 1.77000122070313 " , " 1.79000122070313 " , " 1.81000122070313 " , " 1.84000122070313 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 2 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 5.5 " , " 6 " , " 7 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Dioda 4 (f10 żółta) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.532 " , " 1.724 " , " 1.79000122070313 " , " 1.84000122070313 " , " 1.87000122070313 " , " 1.90000122070312 " , " 1.92000122070312 " , " 1.94000122070312 " , " 1.95000122070312 " , " 1.98000122070313 " , " 2.02000122070312 " , " 2.08000122070312 " , " 2.15000122070313 " , " 2.22000122070312 " , " 2.34000122070313 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 1.5 " , " 2 " , " 2.5 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 6 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Dioda 5 (~f2 zielona) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 2.20000122070312 " , " 2.43000122070312 " , " 2.58000244140625 " , " 2.71000244140625 " , " 2.84000244140625 " , " 2.95000244140625 " , " 3.03000244140625 " , " 3.10000244140625 " , " 3.20000244140625 " , " 3.30000244140625 " , " 3.43000244140625 " , " 3.73000244140625 " , " 3.98000244140625 " , " 4.24000244140625 " , " 4.5 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 1.5 " , " 2 " , " 2.5 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 6 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Dioda 6 (f5 żółta) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.653 " , " 1.72500122070313 " , " 1.77000122070313 " , " 1.80000122070313 " , " 1.81000122070313 " , " 1.83000122070313 " , " 1.84000122070313 " , " 1.86000122070313 " , " 1.87000122070313 " , " 1.88000122070313 " , " 1.90000122070312 " , " 1.94000122070312 " , " 1.97000122070312 " , " 2 " , " 2.04000122070312 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 1.5 " , " 2 " , " 2.5 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 6 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Dioda 7 (f3 czerwona) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.527 " , " 1.668 " , " 1.73000122070313 " , " 1.75 " , " 1.78000122070313 " , " 1.80000122070313 " , " 1.83000122070313 " , " 1.84000122070313 " , " 1.86000122070313 " , " 1.89000122070312 " , " 1.91000122070312 " , " 1.98000122070313 " , " 2.03000122070313 " , " 2.09000122070313 " , " 2.19000122070313 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 1.5 " , " 2 " , " 2.5 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 6 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
,,,,,,,,,,,,,,,,,
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Dioda 8 (f3 zielona) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.712 " , " 1.81000122070313 " , " 1.84000122070313 " , " 1.87000122070313 " , " 1.91000122070312 " , " 1.93000122070312 " , " 1.95000122070312 " , " 1.98000122070313 " , " 2 " , " 2.03000122070313 " , " 2.06000122070312 " , " 2.14000122070312 " , " 2.21000122070313 " , " 2.28000122070313 " , " 2.41000122070312 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 1.5 " , " 2 " , " 2.5 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 6 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Dioda 9 (f3 żółta) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.757 " , " 1.83000122070313 " , " 1.85000122070313 " , " 1.88000122070313 " , " 1.90000122070312 " , " 1.92000122070312 " , " 1.94000122070312 " , " 1.96000122070312 " , " 1.98000122070313 " , " 1.99000122070313 " , " 2.02000122070312 " , " 2.09000122070313 " , " 2.14000122070312 " , " 2.18000122070312 " , " 2.26000122070313 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 1.5 " , " 2 " , " 2.5 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 6 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Dioda 10 (f3 zielona) " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" U " , " [V] " , " 0 " , " 1.727 " , " 1.81000122070313 " , " 1.86000122070313 " , " 1.89000122070312 " , " 1.918 " , " 1.95000122070312 " , " 1.97000122070312 " , " 2 " , " 2.03000122070313 " , " 2.05000122070313 " , " 2.08000122070312 " , " 2.16000122070312 " , " 2.25 " , " 2.30000122070313 " , " 2.372 "
" I " , " [mA] " , " 0 " , " 0.5 " , " 1 " , " 1.5 " , " 2 " , " 2.5 " , " 3 " , " 3.5 " , " 4 " , " 4.5 " , " 5 " , " 6 " , " 8 " , " 10 " , " 12 " , " 15 "
,,,,,,,,,,,,,,,,,
,,,,,,,,,,,,,,,,,
,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Wyniki pomiarów dla transoptorów : " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" Fotorezystor " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" I1 " , " [mA] " , " 0 " , " 1 " , " 2 " , " 3 " , " 4 " , " 5 " , " 5.5 " , " 6 " , " 6.5 " , " 7 " , " 8 " , " 9 " , " 10 " , " 11 " , " 12 "
" I2 " , " [mA] " , " 0 " , " 0 " , " 0.0200000190734863 " , " 0.0400000381469727 " , " 0.0600000381469727 " , " 0.0800000762939453 " , " 0.100000076293945 " , " 0.110000076293945 " , " 0.120000076293945 " , " 0.135000076293945 " , " 0.160000152587891 " , " 0.190000152587891 " , " 0.2179 " , " 0.2422 " , " 0.280000152587891 "
,,,,,,,,,,,,,,,,
" Fototranzystor " ,,,,,,,,,,,,,,,,,
" I1 " , " [mA] " , " 0 " , " 1 " , " 2 " , " 3 " , " 4 " , " 5 " , " 5.5 " , " 6 " , " 6.5 " , " 7 " , " 8 " , " 9 " , " 10 " , " 11 " , " 12 "
" I2 " , " [mA] " , " 0 " , " 0 " , " 0.0100000095367432 " , " 0.0200000190734863 " , " 0.0300000190734863 " , " 0.0500000381469727 " , " 0.0600000381469727 " , " 0.0750000381469727 " , " 0.0850000762939453 " , " 0.100000076293945 " , " 0.130000076293945 " , " 0.160000152587891 " , " 0.186 " , " 0.220000152587891 " , " 0.25 "
,,,,,,,,,,,,,,,,
" Fotodioda " ,,,,,,,,,,,,,,,,
" I1 " , " [mA] " , " 0 " , " 1 " , " 2 " , " 3 " , " 4 " , " 5 " , " 5.5 " , " 6 " , " 6.5 " , " 7 " , " 8 " , " 9 " , " 10 " , " 11 " , " 12 "
" I2 " , " [mA] " , " 0 " , " 0 " , " 0.00500000476837158 " , " 0.0150000095367432 " , " 0.0250000190734863 " , " 0.0347 " , " 0.042 " , " 0.0500000381469727 " , " 0.0600000381469727 " , " 0.0700000381469727 " , " 0.0900000762939453 " , " 0.110000076293945 " , " 0.130000076293945 " , " 0.155000076293945 " , " 0.180000152587891 "
" 0 " , " 0 " , " 0 " , " 0 " , " 0 " , " 0 " , " 0 " , " 0 " , " 0 " , " 0 "
" 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 " , " 0.5 "
" 1 " , " 1 " , " 1 " , " 1 " , " 1 " , " 1 " , " 1 " , " 1 " , " 1 " , " 1 "
" 2 " , " 2 " , " 2 " , " 1.5 " , " 1.5 " , " 1.5 " , " 1.5 " , " 1.5 " , " 1.5 " , " 1.5 "
" 3 " , " 3 " , " 3 " , " 2 " , " 2 " , " 2 " , " 2 " , " 2 " , " 2 " , " 2 "
" 3.5 " , " 3.5 " , " 3.5 " , " 2.5 " , " 2.5 " , " 2.5 " , " 2.5 " , " 2.5 " , " 2.5 " , " 2.5 "
" 4 " , " 4 " , " 4 " , " 3 " , " 3 " , " 3 " , " 3 " , " 3 " , " 3 " , " 3 "
" 4.5 " , " 4.5 " , " 4.5 " , " 3.5 " , " 3.5 " , " 3.5 " , " 3.5 " , " 3.5 " , " 3.5 " , " 3.5 "
" 5 " , " 5 " , " 5 " , " 4 " , " 4 " , " 4 " , " 4 " , " 4 " , " 4 " , " 4 "
" 5.5 " , " 5.5 " , " 5.5 " , " 4.5 " , " 4.5 " , " 4.5 " , " 4.5 " , " 4.5 " , " 4.5 " , " 4.5 "
" 6 " , " 6 " , " 6 " , " 5 " , " 5 " , " 5 " , " 5 " , " 5 " , " 5 " , " 5 "
" 7 " , " 7 " , " 7 " , " 6 " , " 6 " , " 6 " , " 6 " , " 6 " , " 6 " , " 6 "
" 8 " , " 8 " , " 8 " , " 8 " , " 8 " , " 8 " , " 8 " , " 8 " , " 8 " , " 8 "
" 10 " , " 10 " , " 10 " , " 10 " , " 10 " , " 10 " , " 10 " , " 10 " , " 10 " , " 10 "
" 12 " , " 12 " , " 12 " , " 12 " , " 12 " , " 12 " , " 12 " , " 12 " , " 12 " , " 12 "
" 15 " , " 15 " , " 15 " , " 15 " , " 15 " , " 15 " , " 15 " , " 15 " , " 15 " , " 15 "
Klasa Imię i nazwisko Nr w dzienniku Zespół Szkół Łączności
w Krakowie
3M Łukasz Zemła 33
Pracownia elektroniczna
Nr ćw. Temat ćwiczenia Data Ocena Podpis
7. Badanie elementów optoelektronicznych cz. 2 2000-01-04
Podać opis budowy, działanie diody LED i fototranzystora.
Zestawić układ do badania charakterystyki diody typu LED.
Wykonać serię pomiarów dla kilku różnych diod LED.
Zestawić układ do badania transoptorów.
Dla układów z transoptorami zbudowanymi z różnych elementów
optoelektronicznych (fotorezystor, fotodioda, fototranzystor) zbadać
charakterystykę przejściową I2 = f (I1).
Wyniki pomiarów zestawić w tabelach.
Na podstawie wyników z tabel wykreślić charakterystyki.
Podać własne wnioski.
Podać spis użytych przyrządów.
Diody elektroluminescencyjne
Diody elektroluminescencyjne (w skrócie LED – Light Emitting Diode)
są to elementy emitujące promieniowanie w zakresie widzialnym i
podczerwonym. Podstawą działania tych diod jest wykorzystanie zjawiska
emitowania strumienia świetlnego pod wpływem napięcia polaryzującego
złącze p-n w kierunku przewodzenia. Emisja strumienia świetlnego jest
spowodowana rekombinacją dziur i elektronów w przewodzącym złączu.
Diody LED zbudowane są podobnie jak zwykłe (złącze p-n). Nieco
różnią się usytuowaniem warstw półprzewodnika, oraz są
umieszczone w plastykowej obudowie (najczęściej takiego samego koloru,
jak barwa emitowanego światła). Dodaje się również różnorakie
elementy optyczne (np. soczewki), które mają za zadanie odpowiednio
skierować i wzmocnić wiązkę świetlną. Niestety sprawność diod
LED (zamiana energii elektrycznej na promieniowanie) jest bardzo mała
– ok. 1%, dlatego optyka jest niezbędna. Wciąż światło jest
najbardziej widoczne gdy patrzy się na diodę „z góry”. LEDy
charakteryzują się również większym napięciem przewodzenia niż
zwykłe diody (zwykle 1,6 – 2,5 V) i małymi dopuszczalnymi
napięciami wstecznymi (tylko ok. 3 V stąd łatwo je uszkodzić).
Barwa emitowanego światła jest zależna od rodzaju półprzewodnika, z
którego wykonana jest dioda. Do produkcji diod o promieniowaniu
widzialnym używa się najczęściej związków następujących
pierwiastków : arsenu (As), glinu (Al), fosforu (P), indu (In), azotu
(N), galu (Ga). Najłatwiej wyprodukować diody o barwie czerwonej,
żółtej i zielonej. Stąd są one najczęściej spotykane. Spotkać
można diody o barwie białej a ostatnio coraz większą karierę robią
diody niebieskie. Niestety ich proces technologiczny jest nieco
złożony i trudny. Wykonywane są na bazie azotku galu z którym
wiąże się duże nadzieje odnośnie produkcji laserów, itp.
(najlepszą obecnie technologię produkcji azotku galu opracowali
Polacy, która to technologia pozwala na wytwarzanie kryształów o
największych rozmiarach).
Postęp umożliwia wykonywanie diod o coraz większej jasności i
pobierających coraz mniej prądu. Są najczęściej używanymi
wskaźnikami w układach sygnalizacji i kontroli głównie ze względu
na małe napięcia zasilania, dużą niezawodność i trwałość (105
h).
Fototranzystory
Fototranzystor to klasyczny tranzystor epiplanarny. Różnica polega w
budowie, rodzaju półprzewodnika oraz sposobie sterowania.
Fototranzystor składa się tak jak zwykły z trzech warstw
półprzewodnika. Posiada jednak obudowę z okienkiem umożliwiającym
dostęp światła do obszaru bazy. Większość fototranzystorów nie ma
wyprowadzonej końcówki bazy, a funkcję prądu bazy spełnia
promieniowanie świetlne. Sterowanie prądu płynącego przez
fototranzystor odbywa się przez zmianę promieniowania padającego na
bazę. Strumień fotonów oświetlając obszar bazy powoduje generację
nośników, a tym samym przepływ prądu z kolektora do emitera. Wraz ze
wzrostem strumienia światła tak samo jak ze wzrostem prądu bazy
rośnie prąd kolektora. Obowiązuje równanie IC = *I0 + β*, gdzie
oznacza natężenie promieniowania, a I0 tzw. prąd ciemny.
Fototranzystory są bardzo dobrymi fotodetektorami promieniowania
widzialnego i podczerwonego, lecz o mniejszym natężeniu. W stosunku do
fotodiod charakteryzują się β - krotnie większą czułością, ale
niestety częstotliwość pracy jest β-krotnie mniejsza niż
przeciętnej fotodiody.
Badanie diod LED
Jak widać na wykresach, diody LED mają prawie identyczne
charakterystyki jak zwykłe diody prostownicze. Jedyną różnicą jest
wartość napięcia progowego, które dla diod elektroluminescencyjnych
wynosi około 1,6 – 2,5 V. Ta różnica wynika z tego, że zwykłe
diody są wykonane zazwyczaj z krzemu, natomiast do produkcji diod LED
używa się zazwyczaj związków arsenku, galu, indu, glinu, a więc
materiałów o większej barierze potencjału. Ostatnio co prawda
prowadzone są prace nad wykonaniem krzemowej diody LED, lecz proces
technologiczny jest na razie drogi i skomplikowany (napylanie na
płytkę krzemową cieniutkich na 1,5 – 2 nanometrów warstw krzemu
amorficznego i wyprażanie ich w atmosferze azotu lub tlenu w
temperaturze 8000C). Ponadto wymaga ona zasilania o wartości kilkunastu
– kilkudziesięciu woltów, a więc dość wysokiego (choć ostatnio
Toshiba ogłosiła, że podobno opracowała krzemowy LED świecący przy
5 V).
Poszczególne diody miały różne napięcia progowe, w zależności od
koloru i wielkości. Zazwyczaj najmniejszy spadek napięcia występował
na diodach czerwonych, potem żółtych i zielonych.
Diody zaczynały świecić zaraz po przekroczeniu wartości napięcia
progowego. Średnio świeciły przyzwoicie (wystarczająca jasność),
gdy płynął przez nie prąd w granicach 5 – 10 mA. Dalsze
zwiększanie prądu nie przynosiło zauważalnej jasności świecenia.
Wniosek płynący stąd, że zbytnie zwiększanie prądu diody nie ma
sensu, a może spowodować jej zniszczenie, lub w najlepszym wypadku
skrócenie żywotności. I tak dioda która teoretycznie może świecić
przez 100 lat, ulegnie awarii np. po kilku miesiącach. Uwagę naszą
zwróciła Dioda 5, na której spadek wynosił przy 15 mA aż 4,5 V !.
Musiała być wykonana z jakiegoś nietypowego materiału, lub coś
z nią było nie tak.
Badanie transoptorów.
Do badań użyliśmy trzech transoptorów :
LED – fotorezystor
LED – fototranzystor
LED – fotodioda
Regulując prądem przez diodę LED, odczytywaliśmy wartość prądu
płynącego przez obwód sprzężony. Transoptory to przecież jakby
transformatory półprzewodnikowe, składające się z pary : fotoemiter
– fotodetektor, oddzielonej od siebie galwanicznie, ale sprzężonej
optycznie. Wzrost prądu płynącego przez diodę powodował wzrost
emitowanego przez nią promieniowania, a zarazem wzrost oddziaływania
na fotodetektor. Dzięki tym cechom wykorzystuje się transoptory
głównie jako elementy zabezpieczające, separujące dwa obwody.
Napięcie przebicia takiego elementu wynosi zazwyczaj od kilkuset
woltów do kilku kilowoltów. Kształt, nachylenie charakterystyki oraz
własności zależą przede wszystkim od zastosowanego fotodetektora. U
nas najbardziej „płaską” charakterystykę miała zgodnie z
oczekiwaniami fotodioda. Fotodiody powodują najmniejszy współczynnik
sprzężenia, ale są najszybsze. Fototranzystory są najczulsze, ale za
to są wolniejsze. Uwagę zwrócił fakt, że fotorezystor miał
bardziej pionową charakterystykę od fototranzystora. Naszym zdaniem
powinno być odwrotnie, ale może zastosowano fotorezystor o małej
rezystancji lub fototranzystor złej klasy.
Spis przyrządów :
Model do badania elementów optoelektronicznych
Mierniki analogowe UM4B III / I / 39 PE
III / I / 31 PE
Miernik cyfrowy YF-3503 III / I / 442 PE
Klasa Nazwisko i Imię Nr w dzienniku TECHNIKUM ŁĄCZNOŚCI
K R A K Ó W
3 Ti Panek Piotr 25 Pracownia Elektroniczna
Nr ćwiczenia Temat ćwiczenia Data Ocena Podpis
7 Badanie elementów optoelektronicznych 13.11
2 0 0 0
Podać opis budowy, działanie diody LED i fototranzystora.
Zestawić układ do badania ch-ki diody typu LED
Wykonać serię pomiarów dla kilku różnych diod LED
Zestawić układ do badania transoptorów.
dla układów z transoptorami zbudowanymi z różnych elementów
optoelektronicznych zbadać ch-kę przejściową I2=f(I1)
Wyniki pomiarów zestawić w tabelach.
Na podstawie wyników z tabel wykreślić ch-ki.
Podać własne wnioski
Podać spis przyrządów.
Diody LED - Nośniki prądu uzyskują energię ze źródła
polaryzującego złącze p-n w kierunku przewodzenia. Przy takiej
polaryzacji przez złącze p-n wstrzykiwane są nośniki większościowe
elektrony z obszaru n do p, dziury zaś z p do n. Wstrzykiwane nośniki
rekombinują ze sobą i tracą energię równą szerokości pasma
zabronionego.
Złącze diody wykonywane jest najczęściej z arsenku galu lub krzemu.
Nad złączem montowana jest soczewka sferyczna lub paraboliczna ze
szkła lub żywicy
syntetycznej. W zależności od kształtu złącza i soczewki uzyskuje
się różne charakterystyki kierunkowości promieniowania diod. Zmianę
barwy promieniowania
możemy uzyskać poprzez zastosowanie odpowiednich domieszek np.
Dioda wykonana z arsenku - fosforku galu Ga As P świeci na czerwono lub
bursztynowo zależnie od ilości fosforu.
Fototranzystory są najczęściej elementami dwukońcówkowymi (bez
wyprowadzonej końcówki bazy ) i nie różnią się w sposób istotny
od innych tranzystorów bipolarnych. Wykonuje się je przede wszystkim z
krzemu w obudowach takich samych jak fotodiody, a więc z częścią
przezroczystą umożliwiającą dostęp promieniowania świetlnego do
obszaru bazy.
Pod wpływem światła padającego na bazę generowane są w niej
dodatkowe pary elektron-dziura. Elektrony są bezpośrednio odbierane
przez kolektor powodując zwiększenie prąd zerowego kolektora. Dziury
nie mogą przejść ani do kolektora, ani do emitera, napotykając z obu
stron bariery potencjałów. Ładunek dziur gromadzących się w bazie
obniża barierę potencjału na złączu emiterowym powodując
wstrzykiwanie (((razy większego ładunku elektronów z emitera do bazy.
Elektrony te są odbierane przez kolektor dając w rezultacie bardzo
duży przyrost prądu kolektora.
Schemat układu do badania diod LED
Schemat układu do badania transoptorów
Spis użytych przyrządów
Model do badania diod LED i transoptorów
Elementy optoelektroniczne
2x miernik UM 4B
Miernik YF 3503
Wyniki pomiarów:
LED 1 (czerwona)
I mA 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 2 3 5 7,5 12 15
U V 1,72 1,75 1,76 1,77 1,78 1,79 1,81 1,82 1,83 1,84 1,86 1,90 1,95
2,02 2,06
LED 2 (zielona)
I mA 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 2 3 5 7,5 12 15
U V 1,72 1,77 1,78 1,79 1,80 1,82 1,84 1,85 1,86 1,88 1,91 1,97 2,02
2,12 2,19
LED 3 (czerwona)
I mA 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 2 3 5 7,5 12 15
U V 1,51 1,56 1,58 1,59 1,6 1,62 1,64 1,65 1,66 1,67 1,7 1,72 1,76 1,81
1,85
LED 4 (żółta)
I mA 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 2 3 5 7,5 12 15
U V 1,64 1,69 1,71 1,72 1,73 1,75 1,77 1,78 1,79 1,81 1,84 1,9 1,98 2,00
2,04
LED 5 (zielona)
I mA 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 2 3 5 7,5 12 15
U V 1,83 1,94 2,4 2,11 2,17 2,26 2,37 2,43 2,52 2,65 2,89 3,21 3,57 4,2
4,46
LED 6 (żółta)
I mA 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,0 1,2 1,5 2 3 5 7,5 12 15
U V 1,62 1,66 1,68 1,7 1,71 1,73 1,75 1,76 1,77 1,8 1,84 1,88 1,95 2,04
2,1
Fototranzystor
I1 mA 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 7 8 9 10 12
I2 uA 5 7,5 12,5 17,5 22 30 40 45 55 67 90 110 150 190 250
Fotorezystor
I1 MA 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 7 8 9 10 12
I2 UA 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 120 140 180 200 280
Fotodioda
I1 mA 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 7 8 9 10 12
I2 uA 5 6 7 8 9 11 15 20 22 27 35 50 60 75 120
Wnioski:
Diody elektroluminescencyjne charakteryzują się małym poborem prądu
i niskim napięciem zasilającym, dużą luminacją oraz możliwość
modulacji strumienia promieniowania z dużą częstotliwością.
Przy stosowaniu diod LED należy zwracać uwagę na moc wydzielaną w
diodzie i cieplne warunki pracy diody. Jest to tym bardziej ważne, że
temperatura wpływa na intensywność i długość fali dominującego
promieniowania w ten sposób, że ze wzrostem temperatury maleje
intensywność promieniowania i wzrasta długość fali
Diody LED emitujące promieniowanie widzialne są stosowane do
zobrazowania informacji w układach sygnalizacji i kontroli, a więc we
wskaźnikach paskowych alfanumerycznych lub jako samodzielne źródła
światła.
W transoptorach pomięzy obwodem wejściowym a wyjściowym istnieje
wyłącznie sprzężenie optyczne jednokierunkowe. Dzięki temu mogą
one spełniać funkcje transformatorów zarówno prądu stałego jak i
zmiennego. Obwód wejściowy transoptora stanowi dioda LED natomiast
obwód wyjściowy fototranzystor, fotodioda lub fotorezystor. Rodzaj
zastosowanego elementu w obwodzie wyjściowym decyduje o szybkości
działania ( najszybsze są transoptory z fotodiodami).
Transoptor ma zdolność prawie liniowego przenoszenia sygnałów
elektrycznych między wejściem a wyjściem.
Transoptory stosuje się przede wszystkim w celu galwanicznego
odizolowania układów współpracujących ze sobą np. w aparaturze
medycznej z także do sprzęgania stopni układów znajdujących się na
różnych potencjałach. Nadają się do przenoszenia sygnałów
stałych a także cyfrowych i analogowych o częstotliwościach nawet
kilkudziesięciu MHz.