zum Praktikum - Physik in Jena

03.06.08
Messtechnik-Praktikum
Messungen mit optisch aktiven / sensitiven Bauelementen
Silvio Fuchs & Simon Stützer
1 Augabenstellung
1.
a) Nehmen Sie die Strom - Spannungs - Kennlinie einer Fotodiode entsprechend Abbildung 2 auf
(Massefreien Generator wie in Versuch 3 - Kennlinienaufnahme - verwenden). Welche Rolle spielen
der konstante Vorwiderstand R2 (1kΩ) und der veränderliche Vorwiderstand R1 (1kΩ ... 10kΩ) in
der Schaltung? Testen Sie dessen Einfluss. Nehmen Sie die Kennlinie mit und ohne Bestrahlung
auf und stellen Sie diese grafisch dar. Die Bestrahlung erfolgt dabei mit einer IR-LED entsprechend
Abbildung 3 (an Vorwiderstand, 5 V Betriebsspannung).
b) Beleuchten Sie die Fotodiode mit einer IR-LED im statischen Betrieb (Abbildung 4). Nehmen
Sie die Übertragungskennlinie (generierter Fotostrom in Abhängigkeit vom LED- Strom) für 0 ≤
ILED ≤ 10 mA auf und stellen Sie diese grafisch dar!
c) Messen Sie den Fotostrom mittels Spannungsabfall an einem R1 = 47kΩ-Widerstand (Abbildung
5). Betreiben Sie für diesen Versuch die IR-LED mit dem Frequenzgenerator (Rechtecksignal,
TTL - Ausgang). Beobachten Sie die erzeugte Spannung im Frequenzbereich 50 Hz .... 100 kHz
am Elektronenstrahloszillographen. Wie groß ist der maximale Spannungshub und die maximal
nutzbare Übertragungsfrequenz? Bestimmen Sie die 10% ... 90% - Anstiegszeit des Signals.
2.
a) Beleuchten Sie einen Fototransistor mit einer IR-LED im statischen Betrieb (Abbildung 6). Nehmen Sie die Übertragungskennlinie (Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom LED- Strom) für
0 ≤ ILED ≤ 10mA auf und stellen Sie diese grafisch dar!
b) Bauen Sie die Schaltung zur Bestimmung der Frequenzabhängigkeit des Fototransistors entsprechend Abbildung 7 auf. Betreiben Sie für diesen Versuch die IR-LED mit dem Frequenzgenerator
(Rechtecksignal, TTL - Ausgang). Beobachten Sie die erzeugte Spannung im Frequenzbereich 50
Hz .... 100 kHz am Elektronenstrahloszillographen. Wie groß ist die maximal nutzbare Übertragungsfrequenz? Bestimmen Sie die 10% ... 90% - Anstiegszeit des Signals.
c) Bauen Sie eine Schaltung zur Verstärkung von Fotoströmen (stromgesteuerte Spannungsquelle)
mit OPV auf. Auch für diesen Versuch wird die Fotodiode wieder mit einer IR-Diode (Betrieb
über TTL-Ausgang) angesteuert. Beobachten Sie das Ausgangssignal im Frequenzbereich von 50
Hz ... 100 kHz! Welcher Spannungshub wird erreicht? Welche maximale Übertragungsfrequenz ist
jetzt mit der Fotodiode möglich?
3.
a) Bauen Sie die in Abb. 9 angegebene Schaltung mit einem Fotowiderstand RPP130 auf!
b) Beobachten Sie die Spannung UF bei verschiedenen Beleuchtungen (Glühlampe, Umgebungslicht)
am Fotowiderstand. Diskutieren Sie das Ergebnis!
c) Wiederholen Sie die Messung mit einer zu 0 Volt symmetrischen Sinusspannung und Rechteckspannung an der Glühlampe. Beobachten Sie den Spannungs- und Frequenzverlauf mit dem Oszillographen im Zweikanalbetrieb. Diskutieren Sie das Ergebnis!
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2 Grundlagen
Abbildung 1: prinzip der Fotodiode
Im Mittelpunkt der ersten Teilaufgabe steht die Fotodiode. Dies ist eine Halbleiterdiode aus Silizium oder
Germanium wobei der pn-Übergang baulich dem Licht
sehr gut zugänglich gemacht wird. Treffen Photonen
auf das Bauelement, lösen diese Elektronen aus ihren
Kristallbindungen. In der Sperrschicht (Raumladungszone) werden demnach freie Ladungsträger erzeugt,
so genannte Elektronen-Loch paare. Es entsteht ein
Sperrstrom da die Ladungsträger in die jeweils in
Richtung entgegengesetzter Dotierung laufen. Die
Frage ist nun, wie sich die Strom-Spannungskennlinie,
die Übertragungskennlinie und der Frequenzgang
prinzipiell verhalten wobei die empfindlichkeit der
Halbleiterdiode vom Material abhängt. Dabei soll bei
Dioden die maximal nutzbare Übertragungsfrequenz
jene sein, bei dem das Ausgangssignal auf 80% des
Maximalwertes gesunken ist.
Im zweiten Versuchsteil wird ein Fototransistor verwand. Dieser ist ähnlich dem aus Versuch 4: Messung kleiner Spannungssignale - Verstärker I bekanntem Bipolartransistor. Der Basisanschluss entfällt jedoch meist
da diese Aufgabe vom einfallenden Licht (Fotoeffekt ...) übernommen wird. Steigt die Photonenintensität
erhöht sich der Strom der zwischen Kollektor und Emitter fließ t. Hier sind ebefalls die charakteristischen
Zusammenhänge wie Frequenzgang etc. zu bestimmen.
In der letzten Versuchsteil werden mit einem einfachen Fotowiderstand Messungen druchgeführt. Die durch
das Licht verursachte Änderung der Leitfähigkeit beruht auf dem Wechselspiel zwischen Generation und
Rekombination der Ladungsträger. Der Widerstand bei geringer Beleuchtung (Rdunkel ) sollte demnach sehr
hoch sein. Durch einen Lastwiderstand wird in der Praxis eine Spannungsteiler realisiert wobei die Spannung,
die über RL abfällt entscheidend ist. Gilt
Rdunkel >> RL >> Rhell
liegt bei "Dunkelheit"nur ein geringer Restspannungsanteil, hingegen fällt im Fall der Beleuchtung nahezu
die gesamte Betriebsspannung am Lastwiderstand ab. Für den Strom in einem Fotoleiter dessen Fläche
A gegeben ist und in dem sich die Elektronen und die Löcher mit einer Laufzeit t bewegen wobei ihre
Lebenstauer τ sei gilt
τ
If = e · A · Φ · ηQ ·
t
wobei e die Elementarladung, ηQ der Quantenwirkungsgrad und Φ die Photonenflusßdichte ist, welche den
Widerstand trifft.
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3 Schaltung und verwendete Messgeräte
Abbildung 2: Schaltung zur Kennlinienaufnahme einer Fotodiode. Am Potentiometer lässt sich die Kennlinie
( der Arbeitspunkt) verschieben, R2 bestimmt die Steilheit der Kennlinie
Abbildung 3: Betrieb der IR-LED
Abbildung 4: Schaltung zur Aufnahme der Übertragungskennlinie einer Fotodiode
Abbildung 5: Schaltung zur Aufnahme der Frequenzabhängigkeit einer Fotodiode
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Abbildung 6: Schaltung zur Aufnahme der Übertragungskennlinie eines Fototransistors
Abbildung 7: Schaltung zur Aufnahme der Übertragungskennlinie eines Fototransistors
Abbildung 8: Schaltung zur Aufnahme der Frequenzabhängigkeit eines Fototransistors
Abbildung 9: Schaltung zur Aufnahme der Frequenzabhängigkeit eines Fototransistors
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4 Messwerte
Aufgabe 1)
Abbildung 11: Fotostrom über Frequenz (1 c)
Abbildung 10: Diodenstrom über LED-strom (1 b)
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Aufgabe 2 a)
Abbildung 12: U_CE über LED-Strom RL = 1kΩ
Abbildung 13: Fotostrom über Frequenz RL = 10kΩ
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Aufgabe 2 b, 2 c)
Abbildung 15: Fotostrom über Frequenz mit OPV
Verstärkung
Abbildung 14: U_CE über Frequenz
Aufgabe 3 b)
Abbildung 16: Lampenspannung und Diodenspannung
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5 Auswertung
Aufgabe 1 a)
Abbildung 17: Strom Spannungskennlinie der FotodiAbbildung 18: Strom Spannungskennlinie der Fotodiode ohne Beleuchtung
ode mit Beleuchtung
Man erkennt deutlich die Histereseeffekte die durch die Kapazität der Diode entstehen. Durch den veränderlichen Widerstand lassen sich diese Effekte jedoch minimieren. Ohne Beleuchtung lässt die Diode
nur einen geringen Stromfluss in Sperrrichtung zu, während der Sperrstrom mit zunehmender Beleuchtung steigt. Die Widerstände fungieren als einfacher Spannungsteiler um die Strom- Spannugskennlinie
darzustellen ausserdem begrenzen die den maximalen Stromfluss, um die Diode zu schützen.
Aufgabe 1 b)
Abbildung 19: Diodenstrom über LED Strom
Es zeigt sich ein linearer Verlauf zwischen dem Diodenstrom und dem LED Strom
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Aufgabe 1 c)
Abbildung 20: Diodenspannung über Frequenz
Je größer die Frequnz wird, umso niedriger wird die übertragene Spannung. Der Maximale Spannungshub bestimmt sich aus den Messwerten zu ≈ 0.13 (0.34V ) . Die maximale Übertragungsfrequenz ist
erreicht, wenn die Spannungs auf unter 80% des Maximalwertes gesunken ist. Die Grenzfrequenz beläuft sich auf: ≈ 31kHz.
Abbildung 21: Oszilographische Darstellung bei 5 kHz
Abbildung 22: Oszilographische Darstellung bei 100
kHz
Für eine Frequenz von 5kHz bestimmt sich die 10%-90% Anstiegszeit des Signals aus abgelesenen ≈ 8µs.
Für eine Frequenz von 100kHz bestimmt sich die 10%-90% Anstiegszeit des Signals aus abgelesenen
≈ 3.8µs.
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Aufgabe 2 a)
Abbildung 23: UCE über LED Strom RL = 1kΩ
Abbildung 24: UCE über LED Strom RL = 10kΩ
Bei einem Widerstand von 1 kΩ erkennt man noch einen linearen Zusammenhang zwischen KollektorEmitter-Spannung und LED-Strom. Beim 10 kΩ Widerstand fällt die Spannung mit zunehmender
Lichtintensität rapide, sinkt dann aber weniger stark linear ab. Die Lichtintensität wirkt wie der Steuerstrom beim normalen Transistor, eine kleine Lichtintensität bewirkt einen kleinen Wiederstand der
Kollektor-Emitter-Strecke. Damit fällt weniger Spannung am Transistor ab. Bei einem kleineren Widerstand ist der Effekt weniger sichtbar, da hier der Arbeitspunkt in den linearen Teil der Transistorkennlinie verschoben ist.
Aufgabe 2 b)
Abbildung 25: CE-spannung über Frequenz
Die maximal nutzbare Übertragungsfrequnz beläuft sich auf ≈ 13kHz .
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Abbildung 26: Oszilographische Darstellung bei 5 kHz Abbildung 27: Oszilographische Darstellung bei 100
kHz
Für eine Frequenz von 5kHz bestimmt sich die 10%-90% Anstiegszeit des Signals aus abgelesenen
≈ 40µs. Für eine Frequenz von 100kHz bestimmt sich die 10%-90% Anstiegszeit des Signals aus abgelesenen ≈ 4.5µs.
Aufgabe 2 c)
Abbildung 28: CE-spannung über Frequenz mit OPV verstärkt
Der maximale Spannungshub beträgt ≈ 0.6 (1.6V ) . Die maximal nutzbare Übertragungsfrequnz beläuft sich auf ≈ 60kHz . Wie zu erwarten ist der maximale Spannungshub verstärkt und die maximale
übertragungsfrequenz erhöht worden.
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Aufgabe 3 b)
In den Messwerten ist deutlisch die antiproportionale Abhängigkeit des Widerstandes von der Lichtintensität sichtbar. Während bei Dunkelheit der grösste Widerstand erreicht wird, sinkt er bei heller
Glühlampe stark ab. In dem Lichempfindlichen Widerstand werden durch die Bestrahlung mehr Ladungsträger frei dadurch wächst der Stromfluss und der Widerstand sinkt.
Aufgabe 3 c)
Abbildung 29: Oszilographische Darstellung im ZweiAbbildung 30: Oszilographische Darstellung im X-Y
kanalbetrieb
Betrieb
Ausser einer geringen Phasenverschiebung die durch die Kapazität der im Widerstand vorhandenen
p-n Übergänge entsteht beobachtet man eine Frequnzverdopplung. Da der Widerstand von der Lichintensität abhängt und nicht von der Spannung an der Glühlampe, werden durch das Quadrieren der
Sinusfunktion positive und negative Peaks "berücksichtigt " und so die Frequnzverdopplung erzielt.
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6 Diskussion
Dieser Versuch bereitete keinerlei Probleme. Er gestaltete sich vielmehr als praktischer Wissenszuwachs über
die Möglichkeiten von optisch sensitiven Bauelementen. Dabei waren Vergleiche zu theoretischen Werten faktisch nicht gegebe. So sind wenige Rechnungen und keine Fehlerrechnung erforderlich gewesen. Die Messwerte
mit den entsprechenden Graphen zeigen jedoch alle die der Erwartung entsprechenden werte. So verschiebt
beispielsweise das Potentiometer den Arbeitspunkt der Photodiode was in den entsprechenden Fotos des
Oszillographen deutlich wird.
(Nebenbei bemerkt hat Deutschland 2:0 gewonnen - Schalalala-Schalalalalalala-Laaaaa)
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