Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Mikroelektronikai és Technológia Intézet Mikro- és nanotechnika (KMENT14TNC) Szenzorok és mikroáramkörök (KMESM11TNC) Laboratóriumi gyakorlatok Mérési útmutató 2. Fényemittáló diódák és fotodetektorok vizsgálata A mérés célja A mérési gyakorlat elején különböző színű fényemittáló (világító) diódák (LED-ek) spektrumát vizsgáljuk és hasonlítjuk össze. A továbbiakban három különböző fotodetektor összehasonlító vizsgálatát végezzük el: egy fotoellenállásét, egy PIN fotodiódáét és egy fototranzisztorét. A vizsgálatok célja a LED-ek által kibocsátott fény spektrumának és a fotodetektorok relatív spektrális érzékenységének (azaz a fotoválasz hullámhosszfüggésének) és válaszidejének összehasonlítása. A relatív spektrális érzékenységet a fenti fényemittáló diódák segítségével vizsgáljuk. A világító diódák viszonylag keskeny különböző hullámhossztartományban világítanak intenzíven. A világító diódák által kibocsátott fény maximális intenzitásához tartozó hullámhosszat egy AvaSpec-ULS2084 típusú spektrofotométerrel mérjük. A hullámhossz függvényében vizsgáljuk a relatív spektrális érzékenységet oly módon, hogy a detektorokat a világító diódákkal egyenként megvilágítva mérjük azok fotoválaszát. Az így kapott fotoválasz értékeket súlyozni kell az egyes világító diódák által kibocsátott fény relatív intenzitásával. A világítódiódákat meghajtó áramot impulzusgenerátor négyszögjelével szaggatjuk. A detektorok fotoválaszának és válaszidejének vizsgálatakor oszcilloszkóp segítségével mérjük mind a fotoválasz amplitúdóját, mind a válaszidőt. Az utóbbit a jel fel- és lefutásakor is meghatározzuk.
Mérési összeállítás 1. ábra: a mérőpanel A mérési összeállításban egy fémcső egyik végén cserélhető fényforrást, másik végén cserélhető fényérzékelőt lehet elhelyezni. A cső középen is el van vágva, ide monokromatikus szűrőket lehet behelyezni. A fényforrások LED-ek (7 db színes LED vöröstől kékig, plusz egy infravörös) és két 3000 K, ill. 5600 K korrelált színhőmérsékletű hideg- ill. melegfehér színű LED). A LED-ek 1,2W fényteljesítményre képesek, ami 400 ma meghajtóáram esetén érhető el. Ennek a teljesítménynek csak a töredékét használjuk ki. A LED-ek egyenként kis, számozott NYÁK lemezekre vannak szerelve, amelynek hátoldalán tüskesor biztosítja a mérési panelen lévő áramgenerátorhoz való csatlakozást. A LED-ek áramgenerátorosan vannak meghajtva (IC: LM338), fix 26 ma árammal. A generátornak szükséges tápellátás 8V egyenfeszültség, ezt a panelen lévő BNC (koaxiális) csatlakozón keresztül adhatjuk meg.
Az érzékelők: egy fotodióda, egy fototranzisztor és egy fotoellenállás (fotorezisztor) a LEDekhez hasonló NYÁK lemezekre szerelve. Az ezekhez csatlakozó vezeték a panelen található banánhüvelyekre van kivezetve - kettőre közvetlenül, a másik kettőre ellenálláson keresztül. A fotodióda a kis lemezén önmagában van, a fototranzisztor lemezén viszont van egy beépített ellenállás az emitterrel sorba kötve. Az érzékelők használata: A fotoellenállásnál ellenállást mérünk, erre legegyszerűbb a rendelkezésre álló multiméter ellenállásmérő funkcióját használni. A fotorezisztor ellenállása sötétben a legnagyobb (MΩ nagyságrendű is lehet), megvilágítva jelentősen kisebb. A reakcióideje hosszú, ezért olyan alkalmazásoknál használjuk, ahol nem számít a gyors reagálás, sőt ahol esetleg hasznos is (pl. alkonykapcsoló). A fotodiódát, mivel jelen mérésben nem számít a reagálási idő vagy a túlzott pontosság, napelem (fotovoltaikus cella) üzemmódban használhatjuk. A karakterisztikán ez a negyedik síknegyed, ilyenkor ha a terhelő ellenállás kicsi, akkor közelítőleg áramgenerátorként viselkedik, ahol az áram arányos az optikai teljesítménnyel (az ábrán ha R kicsi, akkor a szaggatott vonallal jelötl munkaegyenes a függőleges tengelyhez fog közelíteni, ahol az áram független a feszültségtől), ezt az áramot kell mérnünk (az ampermérő belső ellenállása elvileg elég kicsi, így a feltétel teljesül). A fototranzisztornál a bázist világítjuk meg, tehát a sugárzás hozza létre a bázisáramot (és ennek a B-szerese lesz a kollektoráram). A fototranzisztor méréséhez használjuk a mérőpanelen rendelkezésre álló 10k ellenállást (a banáncsatlakozóknál), amit kössünk a pozitív táp és a kollektor közé. A tápfeszültségnek használjuk a már beállított 8 voltot. A kollektorfeszültséget mérjük (ebből vissza tudjuk a kollektorellenállás ismeretében számolni a kollektoráramot). (Tehát lényegében FE bekötésről van szó.) 2. ábra: a) Fototranzisztort tartalmazó lap kapcsolása; b) a mérési összeállítás
3. ábra: Egy fotodióda U-I karakterisztikája az optikai teljesítmény függvényében 4. ábra: Egy fotodióda megvilágítás-záróáram karakterisztikája, relatív spektrális érzékenysége és U-I karakterisztikájának részlete záróirányban A spektrométer használata Az AvaSpec-ULS2084 spektrofotométer segítségével megmérhetjük az egyes fényforrások spektrális eloszlását. Kalibrált állapotban a besugárzott teljesítmény spektrális eloszlását adja meg µw/cm 2 /nm mértékegységben. Ezt az I (Irradiance) üzemmódban kapjuk meg. S (Scope) módban (kalibrálatlan) a függőleges tengelyen csak az érzékelő jele (Count) található. A programban a mérést a Start gombra (bal felül) kattintva kezdhetjük el. Ez alatt található az integrálási idő (Integration time) beállítása és az átlagolás (Average) beállítása. Az integrálási idő növelésével "érzékenyebb" lesz az eszköz. Ezt többnyire a mérés során nem szükséges változtatni, legfeljebb ha nagyon kis értékeket mérünk. Az átlagolás funkció a zajokat szűri ki, működését ki is próbálhatjuk (ha átírjuk az értékét, utána kattintsunk pl. a másik számra, vagy indítsuk újra a mérést, hogy a hatás látszódjon). Ezek mellett találhatóak a S A T I ikonok, amelyekkel a különböző, részben már említett üzemmódok érhetőek el. Az I ikontól jobbra lévő ikonnal a függőleges skálát automatikusan beállítja, ezt célszerű használni. Ettől öttel jobbra megtaláljuk a Cursor ikon, ezzel egy mérőkurzort tudunk bekapcsolni, amit egérrel mozgathatunk. Az aktuális hullámhosszat felül a Wavelength (nm) mellett olvashatjuk le, a hozzá tartozó amplitúdót alul az Amplitude mellett olvashatjuk le.
5. ábra: Hidegfehér LED spektruma, kurzorral. 6. ábra: Monokróm LED spektruma. (A jobboldali, infravörösben látható rész a kalibráció tökéletlenségéből ered).
Mérési feladatok 1., A világító diódák spektrumának vizsgálata AvaSpec-ULS2084 spektrofotométer segítségével egyenként megvizsgáljuk az összes világító dióda fényének spektrumát és feljegyezzük a maximális intenzitáshoz tartozó hullámhossz(ak)at és a félértékszélességet (vagyis a csúcsnál mért amplitúdó felénél mért sávszélességet - ezt igazából a monokróm LED-eknél lehet értelmezni.) Ehhez a spektrométert és az AvaSoft 7.5 for USB programot használjuk. A mért maximális intenzitáshoz tartozó hullámhossz értéket használjuk a relatív spektrális érzékenység meghatározásához. A fehér LED-ek spektruma széles, itt nem tudunk félértéket stb. mérni, de jegyezzük fel a láthat csúcsok és völgyek amplitúdóját és hullámhosszát, így összehasonlíthatjuk a kétféle fehér LED-et. A spektrum alapján megérthetjük a fehér LED-ek működési elvét: kék (vagy UV) fényt előállító LED-del fényport gerjesztenek (hasonlóan a fénycsövekhez). A fénypor a kék fény egy részét alacsonyabb energiájú (nagyobb hullámhosszú) fénnyé alakítja. Az ún. hidegfehér LED-eknél több marad a kékből a spektrumban, a melegfehér LED-eknél a sárga tartomány az erősebb. A fehér LED-eket felhasználhatjuk jelen mérésben a fekete mérődobozban található monokromátor (keskenysávú) szűrők vizsgálatára. Helyezzen be egyegy ilyen szűrőt, és mérje meg a kapott spektrumot (félértékszélességet). Ha színes LED-del vizsgáljuk ugyanezt, akkor spektrométer nélkül is ellenőrizhető a keskeny sávszélesség, pl. piros LED-et kék szűrőn áteresztve gyakorlatilag nem fogunk választ mérni. 2., A spektrális relatív érzékenység mérése Egyenként végigmérjük mind a három fotodetektort mindegyik LED-del megvilágítva. Mindhárom detektor esetén a relatív érzékenység hullámhossz függését úgy kapjuk meg, hogy a mért feszültségértékeket megszorozzuk az adott világító diódára vonatkozó súlyfaktorral, mely a LED-ek egymáshoz viszonyított fényintenzitását veszi figyelembe. Ezeket az értékeket a spektrummérésből kapjuk meg. A monokróm LED-ek spektrumának csúcsának amplitúdója lesz a súlyozó faktor (abszolút mérési módban, a programban az "irradiance", "I" jelű mérési mód). 3., Válaszidők mérése Megmérjük mindhárom fotodetektor válaszidejét. Ehhez a fotodiódák áramát megfelelő frekvenciájú négyszögjellel szaggatjuk, a detektorok kimenő jelét oszcilloszkópra vezetjük, és külön-külön megmérjük a válaszidőt fel- és lefutáskor. A mérést végezzük azzal a LED-del, amire az adott detektor a legérzékenyebb volt. A válaszidőt mérjük 10% és 90% között. A fotoellenállás méréséhez kössük sorba az egyik ellenállással, és adjunk a kapcsolásra tápfeszültséget (vagyis feszültségosztót hozunk létre), ekkor mérhetjük az oszcilloszkópon a detektor jelét. Ugyanígy járhatunk el a fotodiódánál is (vagyis ekkor
záróirányban feszítjük elő), és a fototranzisztornál is (azt eleve így kötöttük be). Vegyük figyelembe, hogy a LED áramát adó generátor egyenáramre lett tervezve, ezért a maximális frekvencia, amit elbír, korlátozott (kb. 20kHz-ig). Műszerek és kellékek Mérési elrendezés Hármas tápegység (Hameg HM8040), ±15V illetve +5V Impulzus generátor (TGP110) Digitális multiméter (Hameg HM8012) Oszcilloszkóp (Hameg HM303-6 vagy Hameg HM400) Spektrofotométer (AvaSpec-ULS2084) Ellenőrző kérdések Rajzolja fel a fotodióda U-I karakterisztikáját (többféle optikai teljesítményhez) Milyen paramétere változik a fotoellenállásnak a megvilágítás függvényében és hogyan? Milyen paramétere változik a fototranzisztornak a megvilágítás függvényében és hogyan? Hogyan definiáljuk a válaszidőt? Hogyan határozzuk meg a relatív spektrális érzékenységet? Mivel arányos egy LED optikai teljesítménye? Mérési jegyzőkönyv A mérési jegyzőkönyvet pendrive-on vagy e-mailben kell benyújtani a mérést követő két héten belül (ha az oktató szóban másképp nem kéri). A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell: 1., A mérést végzők nevét, a mérés helyét, idejét, tárgyát. 2., Nyilatkozatot arról, hogy a mérést a nevezett személyek saját maguk végezték és az eredményeket maguk értékelték ki. 3., A műszerek jegyzékét. 4., Mérési feladatonként külön-külön a mért adatokat, az azokból kiértékelt adatokat, és a spektrális relatív érzékenységek grafikonon történő ábrázolását. 5., Mérési feladatonként külön-külön az eredmények értékelését. 6., A három különböző detektor tulajdonságainak összehasonlítását. KERÜLJÉK a jegyzőkönyvek másolását! Azonos vagy nagyon hasonló jegyzőkönyvek NEM FOGADHATÓK EL!