LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 39

CONVERTOARE FOTON-ELECTRON

3.1 Scopul lucrrii

Scopul acestei lucrri este determinarea caracteristicilor

curent/tensiune, investigarea evoluiei curentului de scurtcircuit, ISC i a

tensiunii n circuit deschis, VOC, funcie de puterea incident pe suprafaa

activ a fotodiodei, precum i analiza unor scheme recomandate pentru

studiul regimurilor de fotodetectie fotovoltaic i fotoconductiv cu

funcionare n impulsuri.

3.2 Introducere teoretic

Fotodiodele sunt senzori de radiaie optic i sunt realizate pe baza

semiconductoarelor. Fotodiodele genereaz curent sau tensiune, cnd

jonciunea semiconductoare P-N este iradiat. n Fig. 3-1 se prezint o

seciune transversal printr-o fotodiod. Materialul din stratul P de la

suprafaa activ i materialul din stratul N din substrat, formeaz jonciunea

PN care funcioneaz ca un convertor fotoelectric. Caracteristicile

jonciunilor PN sunt bine cunoscute. Spre deosebire de jonciunile PN

uzuale jonciunile fotodiodelor au stratul superior, P, foarte subire.

Grosimea acestuia este impus de lungimea de und a radiaiei de detectat.

n vecintatea jonciunii PN siliciul devine golit de sarcini electrice.

Adncimea zonei de sarcin spaial poate fi modificat dac se modific

tensiunea invers de polarizare aplicat pe jonciune. Stratul de golire este

LUCRAREA NR.3 40 _____________________________________________________________________

STRATULP

STRATULN

BANDA DE CONDUCIE

BANDA DE VALEN

LUMINA INCIDENT

+ + +

-

+

- - -

-

h2

h1

STRATUL DE GOLIRE

Fig. 3-2. Starea jonciunii P-N a fotodiodei.

important pentru performanele fotodiodei deoarece acesta contribuie n

mare msur la obinerea

sensibilitii la radiaie.

Uzual, stratul P al

fotodiodei din Si este format

prin difuzia selectiv a borului,

ntr-o grosime de aproximativ

1m sau mai puin. Prin

controlul grosimii stratului P, a

substratului de tip N i a

stratului inferior N+, precum i

a concentraiei doprii pot fi

controlate rspunsul spectral i

viteza de rspuns.

Dac energia fasciculului fotonic incident pe suprafaa activ a

fotodiodei este mai mare dect energia benzii interzise, Eg, electronii

suport tranziia n banda de conducie, lsnd goluri n locul lor, n banda

de valen (Fig. 3-2).

Aceste perechi electron-

gol pot aprea peste tot n

materialele stratului P, a

zonei de sarcin spaial i

a stratului N. n regiunea

de sarcin spaial, cmpul

electric accelereaz elec-

tronii spre stratul N i

golurile spre stratul P.

Electronii din perechile

SiO2

P+ Substrat tip N

Strat de golire

N+

Contact metalizare

(-) (+)

Lungimi de und scurte

Lungimi de und lungi

Strat AR

Fig. 3-1. Seciune transversal printr-o fotodiod

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 41

electron-gol generate n stratul N, mpreun cu electronii care au sosit din

stratul P, se deplaseaz n stratul N n banda de conducie. n acest timp,

golurile sunt difuzate prin stratul N pn n zona de sarcin spaial, unde

sunt supui accelerrii i apoi sunt colectai n banda de valen a stratului P.

n acest mod, perechile electron-gol care sunt generate proporional cu

puterea radiaiei incidente, sunt colectate n straturile N i P rezultnd

sarcini pozitive n stratul P i sarcini negative n stratul N. Dac ntre

straturile P i N se conecteaz un circuit exterior, electronii vor migra din

stratul N i golurile din stratul P nspre electrozii opui, respectivi. Aceti

electroni i aceste goluri, care genereaz un curent ntr-un semiconductor,

sunt numii purttori.

n Fig. 3-3 este dat circuitul echivalent al unei fotodiode unde:

IL este curentul fotogenerat (proporional cu puterea radiaiei

incidente);

ID curentul de ntuneric prin fotodiod;

Cj capacitatea jonciunii;

Rsh rezistena shunt;

I - curentul prin rezistena shunt;

VD tensiunea pe diod;

I0 curentul de ieire;

V0 tensiunea de ieire.

S A R C I N A

ID

RL Rsh

RS

V0 VD

Cj

IL

Fig. 3-3. Circuitul echivalent ale fotodiodei.

I I0

LUCRAREA NR.3 42 _____________________________________________________________________

Pe baza circuitului echivalent al fotodiodei curentul de ieire I0 este

dat de relaia urmtoare:

'IkT

qVexpII'IIII DSLDL

10 (3.1)

unde IS este curentul de saturaie al fotodiodei;

q sarcina electronului;

k constanta lui Boltzmann;

T temperatura absolut a fotodiodei.

Tensiunea n circuit deschis V0C este tensiunea de ieire cnd I0

este egal cu zero. Astfel, V0C devine

10

S

'L

C I

IIln

q

kTV (3.2)

Fotodioda alimentat direct, n condiii de ntuneric, prezint

caracteristici similare unei diode redresoare convenionale, aa cum se poate

observa n Fig. 3-4. Cnd fotodioda este iluminat, caracteristica se

deplaseaz din poziia (1) n poziia (2) i crescnd puterea incident,

caracteristica se deplaseaz n poziia (3). Deplasarea caracteristicii este

dependent de intensitatea radiaiei incidente.

Curentul de saturaie

Tensiunea

Nivelul de lumin (n cretere)

Cur

entu

l

Fig. 3-4. Caracteristicile curent-tensiune.

0

V0C V0C

ISC

ISC

ISC

Lumin

V0C

Lumin + 1

2 3

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 43

Dac n condiiile caracteristicilor (2) i (3) se scurtcircuiteaz

terminalele fotodiodei, un fotocurent ISC care este proporional cu

intensitatea fasciculului fotonic, va circula de la anod la catod. Curentul de

scurtcircuit este curentul (de ieire) care circul cnd rezistena de sarcin

este zero i este aproximativ proporional cu suprafaa activ a

dispozitivului. ISC este extrem de linear n raport cu nivelul puterii radiaiei

incidente. Cnd puterea radiaiei incidente variaz ntre 10-12 i 10-2 W,

gama de liniaritate disponibil depete nou ordine de mrime, depinznd

de tipul de fotodiod.

Tensiunea n circuit deschis este generat cu polaritatea pozitiv la

anod, V0C i V0C.

Rezistena shunt, Rsh, se determin cu relaia urmtoare:

]mA[I

mVRsh

D

10 (3.3)

Pentru aceste determinri, zona zero a caracteristicii (1) din

Fig. 3-4 se mrete, aa cum se poate observa din Fig. 3-5. n domeniul

Tensiunea [mV]

Cur

entu

l de

ntu

neri

c

0 -5 -10 5 10

ID

Fig. 3-5. Curentul de ntuneric funcie de tensiune (regiunea zero-mrit).

LUCRAREA NR.3 44 _____________________________________________________________________

valorilor tensiunii +10 mV ... 10 mV, curentul de ntuneric ID este

aproximativ liniar. Panta n aceast regiune indic valoarea Rsh i aceast

rezisten determin curentul de zgomot de ntuneric. Ca i n cazul altor

tipuri de senzori fotonici cu fotodetectoare, limitele inferioare ale puterii

radiaiei fotodetectate, sunt determinate de nivelul zgomotului

dispozitivului. Zgomotul intern al fotodiodei este dat de relaia urmtoare:

Aiiii SLSDjn 222 (3.4)

unde ij este zgomotul termal (zgomotul Jhonson) al unui rezistor echivalent

cu Rsh ;

iSD curentul de zgomot shot;

iSL zgomotul curentului de ntuneric i al fotocurentului generat.

Curentul ij fiind considerat ca zgomotul termal al rezistenei Rsh se

calculeaz cu relaia urmtoare:

AR

kTBi

shj

4 (3.5)

unde k este constanta lui Boltzmann;

T temperatura absolut a dispozitivului;

B lrgimea benzii de frecven de zgomot.

Cnd fotodioda este polarizat invers, prin aceasta circul un curent

de ntuneric. Zgomotul shot iSD care are originea n curentul de ntuneric

este dat de relaia (3.6).

ABqI2i DSD (3.6) unde q este sarcina electronului;

ID curentul de ntuneric;

B lrgimea benzii de frecven de zgomot.

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 45

Cnd suprafaa activ a fotodiodei este iradiat cu un fascicul

fotonic, prin fotodiod se stabilete un fotocurent IL, astfel nct iSL este dat

de relaia (3.7).

ABqIi LSL 2 (3.7)

Puterea echivalent de zgomot NEP-(Noise Equivalent Power),

este puterea radiaiei fotonice, incident pe suprafaa activ a dispozitivului,

care determin la ieire un semnal egal cu nivelul zgomotului (raportul

semnal/zgomot = 1). Deoarece nivelul zgomotului este proporional cu

rdcina de ordinul doi din banda de frecven, NEP este msurat la

lrgimea de band egal cu 1 Hz.

WAlailiateafotosensibHz

Azgomotdecurentul

HzWNEP

p

21

21 (3.8)

Fotocurentul produs de un nivel dat al luminii incidente variaz cu

lungimea de und. Relaia ntre sensibilitatea fotoelectric i lungimea de

und este cunoscut ca fiind caracteristica rspunsului spectral i este

exprimat n termeni ca fotosensibilitatea, eficiena cuantic, etc.

Responsivitatea R, este raportul ntre fotocurentul rezultat

exprimat n amperi [A] i puterea incident pe suprafaa activ a fotodiodei,

exprimat n watt [W]. Ea poate fi reprezentat att ca sensibilitate absolut

[A/W], ct i ca sensibilitate relativ normalizat pentru sensibilitatea la

lungimea de und de vrf, uzual exprimat n procente [%].

WAPI

R f (3.9)

Eficiena cuantic, QE este numrul de electroni sau goluri care

poate fi detectat ca un fotocurent, raportat la numrul fotonilor incideni i

LUCRAREA NR.3 46 _____________________________________________________________________

se exprim, uzual, n procente. Eficiena cuantic i fotosensibilitatea

respect urmtoarea relaie la o lungime de und dat n nm:

%RhcRQE 1001240

(3.10)

unde R este responsivitatea la o lungime de und dat n nm.

La nivelul jonciunii PN a fotodiodei se formeaz un capacitor.

Valoarea capacitii jonciunii este factorul determinant al vitezei de rspuns

a fotodiodei. Cnd se folosete un amplificator operaional, capacitatea

jonciunii determin creterea ctigului de conversie.

Timpul de cretere tr i timpul de cdere tf sunt definii ca fiind

timpii corespunztori creterii semnalului de la 10% la 90% i respectiv

scderii semnalului de la 90% la 10% din valoarea final a semnalului.

Acest parametru poate fi exprimat ca rspuns n frecven, care este

frecvena la care semnalul de ieire al fotodiodei scade cu 3 dB, n raport cu

semnalul de ieire la 100 kHz i se exprim aproximativ astfel:

dBr f

,t

3

350 (3.11)

Timpul de rspuns al unei fotodiode este definit de urmtorii trei

factori:

1. tDRIFT timpul de colectare a purttorilor din zona de sarcin

spaial;

2. tDiF timpul de colectare a purttorilor n regiunea negolit a

fotodiodei;

3. tRC constanta de timp a combinaiei fotodiod-circuit.

Constanta de timp tRC se determin cu binecunoscuta relaie:

tRC=2,2 RC (3.12)

unde R este suma rezistenei echivalente serie a fotodiodei Rs i a rezistenei

de sarcin RL i C este suma capacitilor jonciunii i a celei parazite:

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 47

R=Rs + RL i C=Cj + Cp

Timpul total de cretere este dat de relaia (3.13):

222RCDiFDRiFTR tttt (3.13)

Tensiunea invers maxim - VR max este valoarea tensiunii inverse,

care aplicat unei fotodiode, iniiaz strpungerea, fenomen ce produce

deteriorri severe ale performanelor dispozitivului. Prin urmare, trebuie

specificat i respectat valoarea maxim a tensiunii inverse, ca fiind

tensiunea cu puin mai mic dect valoarea tensiunii inverse care produce

strpungerea. Valoarea tensiunii inverse maxim nu va fi depit nici chiar

instantaneu.

Tabelul 3-1. Cteva constante numerice si valori tipice

Constanta Simbol Valoarea Unitatea Sarcina electronului e sau q 1,602 x 10-19 C Viteza luminii n vid c 2,998 x 108 m/s Constanta lui Planck h 6,626 x 10-34 JS Constanta lui Boltzmann k 1,381 x 10-23 J/ K Energia termal la temperatura camerei

kT(T=300K) 0,0259 eV

1eV-energie eV 1,602 x 10-19 J Lungimea de und n vid corespunztoare la 1 eV

- 1240 nm

Energia benzii interzise la Si Eg 1,12 eV Energia benzii interzise la Ge Eg 0.66 eV

3.3 Desfurarea lucrrii

ATENTIE! Nu staionai i nu privii direct (n) fasciculul laser. Acesta poate provoca

pete pe retin.Vezi Anexa Reguli de protecie antilaser. Ferii-v de lumina laser reflectat. Conectai tensiunea la dioda laser cu polaritatea corespunztoare. Nu depii tensiunea de alimentare a diodei laser, respectiv 4,5V, n

scopul evitrii distrugerii.

LUCRAREA NR.3 48 _____________________________________________________________________

3.3.1. Regimul fotovoltaic (regimul celul/baterie solar)

3.3.1.1 Msurarea tensiunii n diverse condiii de iluminare

Se folosete multimetrul digital care se conecteaz la terminalele

fotodiodei conform schemei de principiu din Fig. 3-6.

Se msoar tensiunea fotogenerat, VAC, n condiiile de iluminare

din tabelul 3-2, se completeaz cu datele obinute i se trag concluzii.

Tabelul 3-2.- Tensiunea fotogenerat n condiii diferite de iluminare

Condiia/ VAC

Radiatia solar

Pe mas la lumina camerei

LED rou la distanta de 1 cm

LASER Pointer

P< 5mW VAC [mV]

3.3.1.2 Msurarea fotocurentului de scurtcircuit, ISC i a tensiunii n

circuit deschis, VOC

Pe placa de baz se monteaz pe cte un suport, modulul fotodiod

i respectiv laserul POINTER, conform schemei montajului din Fig 3-7.

Se aliniaz sistemul LASER-FOTODIOD, astfel nct seciunea

transversal a fasciculului laser, s fie cuprins, n totalitate, n suprafaa

activ a fotodiodei. n acest scop, se folosete hrtia semitransparent.

Modificarea puterii incidente pe suprafaa activ a fotodiodei se obine

Fascicul fotonic

Fig. 3-6. Schema de principiu pentru msurarea tensiunii fotogenerate.

A

C

+

- Modulul fotodiod DIGITALVOLTMETER

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 49

montnd n capacul de protecie al laserului, pe rnd, diafragmele D1... D5,

conform tabelului 3-3.

Tabelul 3-3. Dependena ISC i V0C de puterea laser. Diafragma D1 D2 D3 D4 D5

Puterea Laser [W] 50 100 250 500 1.000 ISC [mA]

V0C [mV]

Pentru fiecare valoare a puterii laser, se completeaz tabelul 3-3 cu

valorile msurate ale ISC i V0C.

Cu datele din tabelul 3-3 se traseaz graficele de evoluie a

curentului ISC i respectiv a tensiunii V0C funcie de puterea laser i se trag

concluzii.

Fig. 3-7. Schema montajului LASER POINTER-FOTODIOD.

Diafragma calibrat Laser

POINTER >5mW

Modulul fotodiod

Suport reglabil

Suport reglabil

Fascicul LASER

Cap protecie

A

C

mA

LUCRAREA NR.3 50 _____________________________________________________________________

a) MODUL

LED MODUL

FOTODIOD

VTRI

t

VCH1

t VPD

t tr

0,1V

0,9

b)

Fig. 3-8. Schema de principiu a fotodetectorului fotovoltaic de impulsuri pozitive a) i formele de und b).

GENERATOR TEKTRONIX TM 515

+5V

OUTPUT TRIG OUTAMPLITUDE

OSCILOSCOP

TRIGCH1 CH2 EXT

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 51

3.3.1.3 Funcionarea fotodiodei n regim fotovoltaic

Se realizeaz montajul conform schemei de principiu dat n

Fig. 3-8 astfel nct impulsurile de comand ale modulului LED s poat fi

vizualizate pe canalul CH1 al osciloscopului. n acest scop se folosete

seciunea Generator de impulsuri a aparatului TEK 515.

Se stabilete din poteniometrul + 5V < 5V amplitudinea de

5 +/- 0.25V a impulsurilor pe CH1 i cu comutatorul Duration/Period se

stabilesc durata de 50 +/- 2s i respectiv perioada de 10 +/-2ms. Se dispun

modulele FOTODIODA i LED fa n fa i se vizualizeaz pe canalul

CH2 al osciloscopului, impulsurile fotodetectate. Se sincronizeaz

desfurarea pe orizontal, n regimul EXT TRIG din poteniometrul

LEVEL al osciloscopului.

Se deseneaz formele de und de pe cele dou canale ale

osciloscopului, se msoar timpul de cretere, tr, se calculeaz f3dB, cu

relaia (3.11) si se compara cu valoarea obinut experimental, la punctul

3.3.2.4. Se modific durata impulsurilor VCH1 i se observ evoluia formei

de und a impulsului fotodetectat.

3.3.2 Regimul fotoconductiv

3.3.2.1 Trasarea caracteristicilor curent tensiune ale fotodiodei

Se folosesc laserul, modulul fotodiod, sursa de alimentare TEK

TM 515 i conductoare de conexiune.

Se alimenteaz fotodioda PD, de la sursa CC - TEK TM 515, ca n

schemele de principiu din Fig. 3-9. Tensiunile +V i VRs se msoar cu

multimetrul digital.

LUCRAREA NR.3 52 _____________________________________________________________________

Se obtureaz cu capacul de blocare fotodioda din modul, se

cupleaz tensiunea i se regleaz tensiunea de alimentare +V, conform

valorilor din tabelul 3-4.

Se completeaz tabelul 3-4 cu valorile msurate ale VRs.

Tabelul 3-4. Caracteristica de ntuneric Id/Vd \ (Pin=0) +V [V] 0,3 0,5 0,7 1 1,5 3,5 8 10 VRs[mV] Vd [V] Id [mA]

Cu ajutorul diafragmei calibrate D1 se stabilete puterea laser

Plaser1= 50W. Pentru aceasta, se scoate capacul de protecie al laserului, se

monteaz diafragma D1. Se aliniaz sistemul laser-fotodiod cu ajutorul

uruburilor din supori i se cupleaz tensiunea de alimentare. Se msoar

Fig.3- 9 Msurarea caracteristicilor curent-tensiune - scheme de principiu: a) pentru msurarea Vd i Id;

b) pentru msurarea -Vd i -Id; c) dispunerea elementelor de circuit n modulul fotodiod.

a) b) c)

Id

A

C

-Id

+

1

19 8 12 3

4 5

12

67

RL

Cf

Cc RS

1K

1,2k0,1

0,1

VOU

FD

+V

VE

Vd

TEK

VR Rs

1.2k

+V

VE

-Vd

TEK

VR Rs

1.2k

C

A

VE

PD PD

VE

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 53

tensiunea pe rezistena de sarcin, VRs[mV] pentru diferite tensiuni de

alimentare +V, conform valorilor din tabelului 3-5 i se nscriu n tabel.

Se demonteaz diafragma D1, se monteaz diafragma D5

corespunztoare puterii laser Plaser5 = 1mW. Se reia alinierea sistemului,

astfel nct seciunea transversal a fasciculului laser s fie n totalitate

cuprins n suprafaa activ a fotodiodei. Se msoar, n aceste condiii,

tensiunea VRs, pentru diferite valori ale +V [V] i se completeaz

tabelul 3-6.

Se calculeaz tensiunea pe fotodiod cu relaia Vd = +V - VRs i

curentul prin PD, cu relatia Id = VRs/ Rs pentru cele trei tabele 3-4, 3-5 i 3-6.

Pe acelai grafic se vor trasa cele trei caracteristici Id [mA] - Vd[mV]

rezultate din cele trei tabele i se vor trage concluzii.

Tabelul 3-5. Caracteristica Id/Vd pentru Plaser1= 50W. +V [V] 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,5 3,5 8 10

VRs[mV] Vd [V]

Id [mA]

Tabelul 3-6. Caracteristica Id/Vd pentru Plaser5 = 1mW. +V [V] 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,5 3,5 8 10

VRs[mV] Vd [V]

Id [mA]

Pentru obinerea caracteristicilor inverse, Id[mA]/-Vd[mV], se

inverseaz polaritatea tensiunii de alimentare a fotodiodei, astfel ca VC >VA,

conform Fig. 3-9b. n acest scop, firul de la anod se scoate i se introduce la

catod iar cel de la catod se scoate i se introduce la anodul fotodiodei.

LUCRAREA NR.3 54 _____________________________________________________________________

Se completeaz tabelele 3-7 ... 3-11 cu datele pentru cele cinci

valori ale puterii laser, corespunztoare celor cinci diafragme calibrate.

Dup montarea fiecrei diafragme se reia alinierea sistemului.

Tabelul 3-7. Caracteristica -Id/-Vd pentru Plaser5 = 1mW. +V [V] 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,5 3,5 8 10

VRs[mV] Vd [V]

Id [mA]

Tabelul 3-8. Caracteristica -Id/-Vd pentru Plaser1 = 50W. +V [V] 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,5 3,5 8 10

VRs[mV] Vd [V]

Id [mA]

Tabelul 3-9. Caracteristica -Id/-Vd pentru Plaser2= 100W.

+V [V] 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,5 3,5 8 10 VRs[mV]

Vd [V] Id [mA]

Tabelul 3-10. Caracteristica -Id/-Vd pentru Plaser3 = 250W.

+V [V] 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,5 3,5 8 10 VRs[mV]

Vd [V] Id [mA]

Tabelul 3-11. Caracteristica -Id/-Vd pentru Plaser4= 500W. +V [V] 0,3 0,5 0,7 0,8 1 1,5 3,5 8 10

VRs[mV] Vd [V]

Id [mA]

Cu datele calculate, corespunztoare celor cinci valori ale puterii

laser- Plaser1 = 50W, Plaser2 = 100W, Plaser3 = 250W, Plaser4 = 500W i

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 55

Plaser1 = 1mW - din tabelele 3-7....3-11, se traseaz caracteristicile inverse -

Id/-Vd ale fotodiodei i se trag concluzii.

3.3.2.2 Determinarea responsivitii i a eficientei cuantice ale fotodiodei

Se calculeaz responsivitatea i eficiena cuantic ale fotodiodei cu

relaiile (3.9) i respectiv (3.10), n punctele Vd =8V, pentru cele cinci valori

ale puterii laser. Rezultatele se trec n tabelul 3-15 i se trag concluzii.

Tabelul 3-12. Calculul responsivitii monocromatice i a eficienei cuantice.

Plaser 50W 100W 250W 500W 1000W R[A/W] QE [%]

3.3.2.3 Msurarea benzii de frecven fBW a fotodetectorului

Se presupune o comportare aproape ideal n frecvena a LED-ului utilizat

n acest scop. Modulele LED i PD se monteaz n suport pe placa de baz

nu mai departe de 5 cm unul de altul i se realizeaz montajul cu schema de

principiu dat n Fig. 3-10.

Se alimenteaz modulul LED de la ieirea sinusoidal a

generatorului de funcii Tektronix, cu tensiune de la 5+/-0.25VVV i

modulul PD cu +15+/-0.5V, ca n Fig 3-10. Cu osciloscopul se vizualizeaz

tensiunea Vout, la ieirea modulului PD. Se modific frecvena tensiunii de

comand a modulului LED, meninnd amplitudinea constant. Se msoar

frecvena la care amplitudinea tensiunii Vout scade cu 3 dB. Aceasta este

frecvena maxim de funcionare a fotodetectorului. Se compar frecvena

msurat cu valoarea obinut prin calcul cu relaia (3.11) i se trag

concluzii.

LUCRAREA NR.3 56 _____________________________________________________________________

3.3.2.4 Studiul funcionrii fotodiodei n regim fotoconductiv

Se realizeaz montajul conform schemei de principiu dat n

Fig. 3-11 astfel nct impulsurile de comand ale modulului LED s poat fi

vizualizate pe canalul CH1 al osciloscopului. n acest scop se folosete

seciunea Generator de impulsuri a aparatului TEK 515. Se stabilete din

poteniometrul + 5V < 5V amplitudinea de 5 +/- 0.25V a impulsurilor pe

CH1 i cu comutatorul Duration/Period se stabilesc durata de 50 +/- 2s i

respectiv perioada de repetiie a impulsurilor se 10+/-2 ms. Se sincronizeaz

desfurarea pe orizontal, n regimul EXT TRIG din poteniometrul

LEVEL al osciloscopului. Se aliniaz modulele PD i LED i se

vizualizeaz pe canalul CH2 al osciloscopului, impulsurile fotodetectate.

Se deseneaz formele de und de pe cele dou canale ale

osciloscopului, se msoar timpul de cretere, tr. Se modific durata

impulsurilor VCH1 i se observ evoluia formei de und a impulsului

fotodetectat.

Fig. 3-10. Schema de principiu a Modulului LED si PD cuplate optic.

Vout

+

n

C f100

n

Cc100

Modulul fotodiod

Modulul LED

t

V

5V

Rlim 180

Rs 1.2k

LUCRAREA NR.3 __________________________________________________________ 57

Fig. 3-11. Schema de principiu a fotodetectorului fotoconductiv de impulsuri pozitive (a) i formele de und (b).

Se modific durata impulsului VCH1 i se observ evoluia formei

de und a impulsului fotodetectat, VPD. Se vor compara regimurile de

funcionare a fotodiodei fotovoltaic i fotoconductiv n primul rnd din

punct de vedere al vitezei de rspuns.

3.4 Coninutul referatului

scopul lucrrii;

valorile msurate i valorile calculate (Tabelele 3-1...3-12);

reprezentarea grafic a evoluiei ISC i VOC funcie de puterea

de iluminare;

VCH1

t

VPD

t tr

0,1 VPD

0,9 VPD

b

TEKTRONIX TM 515

V N R OUT TRIG

OSCILOSCOP

TRIG CH1 CH2 EXT

a

RLim

Rs 1,2 k

Cf 100 nF

LUCRAREA NR.3 58 _____________________________________________________________________

reprezentarea caracteristicilor directe i inverse curent / tensiune

ale fotodiodei;

calculul frecventei maxime f3dB n cele dou regimuri

(fotovoltaic i fotoconductiv);

calculul responsivitii i al eficientei cuantice;

reprezentarea formelor de und pentru regimurile de funcionare

fotovoltaic i fotoconductiv;

compararea rezultatelor obinute prin calcul cu cele

experimentale;

3.5 ntrebri

1. Care este durata de via a fotodiodelor din siliciu?

2. Responsivitatea fotodiodelor poate suferi modificri n timp?

3. Care este diferena ntre modurile fotoconductiv (FC) i fotovoltaic (FV)?

4. Ce se poate ntmpla dac din greeal se polarizeaz indirect

fotodioda?

5. De ce la unele dispozitive se specific curentul de ntuneric i la altele

rezistena de shunt?