Эксперимент n3 «вольтамперные характеристики фотодиода». Приборы и оборудование.

Лабораторная работа выполняется на комбинированном учебном комплексе ФКЛ-17МК.

Источник света — полупроводниковый светодиод, излучающий сплошной спектр в видимой области с регулируемой мощностью излучения. Параметры излучения оцениваются в энергетических единицах (Люксах) по показаниям люксметра, входящего в состав комбинированного цифрового измерительного прибора. Измерителями фотосигнала тока и напряжения, прикладываемого к ФД служат чувствительный цифровой микроамперметр и вольтметр, также входящие в состав измерительного блока.

Упрощенная блок-схема опыта приведена на рис. 18.3.

Напряжение смещения на фотодиод ФД-256 подается от стабилизированного источника питания и регулируется с помощью ручки «УПРАВЛЕНИЕ 1». Фотодиод освещается белым светом от светодиода мощность которой регулируется ручкой «УПРАВЛЕНИЕ 3» и измеряется измерительным фотодиодом, находящимся рядом с исследуемым образцом.

1. Перед включением установки в сеть проверить целостность всех соединительных сигнальных и сетевых проводов. Все работы по подключению комплекса к компьютеру следует выполнять только при отключенных от сети приборах. Используя стандартный USB провод из комплекта подключить выход USB учебной установки с свободному USB порту ПК. Разобраться с принципиальными блок-схемами опытов, в назначении кнопок, переключателей и ручек прибора.

2. Соединить монитор с системным блоком ПЭВМ, подключить клавиатуру и мышь к системному блоку используя стандартные провода для подключения. Подключить системный блок ПЭВМ и монитор к сети ~220 В.

3. Включить установку в сеть ~220 В с помощью прилагаемого силового сетевого кабеля евро-стандарта. Поставить переключатель есть на панели учебного модуля в положение «ВКЛ», при этом должен загореться сигнальный индикатор «СЕТЬ».

4. Загрузить операционную систему согласно стандартным процедурам загрузки.

5. При необходимости, настроить компьютер для работы с учебной установкой согласно прилагаемому руководству к среде LabVisual.

6. Запустить программу LabVisual для работы с учебной установкой для данного эксперимента пользуясь ярлыком на рабочем столе либо другим способом, указанным лаборантом.

Проведение эксперимента.

7. С помощью многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ» выбрать «FOTODIOD EXPERIMENT N5».

8. Нажатием кнопки «ЗАПУСК» включить режим снятия вольт-амперных характеристик фотодиода. При запущенной среде LabVisual 2.5 автоматически запустится подпрограмма рис 18.3 для снятия вольтамперных характеристик фотодиода.

9. Снять темновую ВАХ фотодиода, для чего следует повернуть ручку «УПРАВЛЕНИЕ 3» до упора против часовой стрелки и выключить белый светодиод, при этом на ЖКД LCD дисплее БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ значение освещенности Е должно быть равно 000 ЛЮКС.

10. Изменяя с помощью ручки «УПРАВЛЕНИЕ 1» напряжение, подаваемое на фотодиод, и записывая значение тока в цепи фотодиода для каждого установленного значения напряжения, снять вольт-амперную характеристику образца. Третья цифра после запятой в результатах измерения фототока может быть нестабильной, поэтому как правило, следует ограничиваться двумя цифрами после запятой в значениях фототока x.xx mkA. При этом особо тщательно следует снимать ВАХ при малых значения напряжения смещения, т. к. в этой области ток фотодиода значительно изменяется при малых изменениях напряжения. Таким образом, в начале измерения ВАХ шаг изменения напряжения должен составлять ~0,2 В. Затем шаг можно увеличить до 0,8-1,5 В. Измерения следует проводить до значения напряжения на фотодиоде ~9 — 10 Вольт, когда фототок практически перестает изменяться. Все измеренные значения следует записывать в таблицу 3.

11. Включить белый светодиод повернув ручку «УПРАВЛЕНИЕ 3» по часовой стрелке.

12. Плавно вращая ручку «УПРАВЛЕНИЕ 3» установить минимально возможное значение освещенности, подаваемой на фотодиод ~30 ЛЮКС. Люксметр, используемый в этой части лабораторного опыта обеспечивает точность измерения освещенности ЛЮКС.

Таблица 3

E1 = ... ЛЮКС	U, В
	I, мкА
E2 = ... ЛЮКС	U, В
	I, мкА
E3 = ... ЛЮКС	U, В
	I, мкА

13. Повторить п. 10 и снять ВАХ фотодиода при минимальной освещенности. В процессе измерения ВАХ необходимо поддерживать постоянное значение освещенности в пределах установленного значения E_уст.ЛЮКС при необходимости корректируя освещенность ручкой «УПРАВЛЕНИЕ 3».

14. Снять ВАХ фотодиода во всем диапазоне освещенностей (~30 – 100 Лк) с шагом 5 — 10 Люкс, повторяя пп. 10 для каждого значения освещенности.

15. Для каждой освещенности построить вольт-амперные характеристики из которых найти значение тока насыщения (практически постоянное значение фототока; фототок при этом практически перестает меняться в зависимости от приложенного напряжения смещения рис. 35).

Рис. 35. Вольт — амперные характеристики фотодиода при различных освещенностях Е=Фпри обратном смещении.

16. По полученным данным, построить график зависимости тока насыщения фотодиода от освещенности I=f(E). Экспериментальные точки должны успешно аппроксимироваться прямой линией аналогично рис. 62.

Рис. 62. Зависимость тока насыщения фотодиода от освещенности.

17. Найти интегральный коэффициент токовой чувствительности фотодиода S_I как тангенс угла наклона прямой линии к оси абсцисс. При ручном анализе данных легко получить расчетную формулу , где в качестве ΔI_НАС и ΔE для повышения точности рекомендуется брать максимально возможные приращения.

18. При необходимости, для сохранения результатов измерения в файл данных, следует пользоваться специальным полем в программе «Данные для сохранения», занося в две колонки через пробел необходимые значения, полученные для каждого измерения с помощью приборов (рис. 28).

19. Для предварительной визуализации данных можно воспользоваться подпрограммой LabVisual data analizer, вызываемой с помощью кнопки «ВИЗУАЛИЗИРОВАТЬ» программы-оболочки LabVisual.

20. Для выполнения п. 17 в среде LabVisual следует воспользоваться компонентом LabVisual MagicPlot Analyzer, вызвать который можно нажатием кнопки «АНАЛИЗИРОВАТЬ». При этом откроется окно программы для анализа данных рис.20.

21. Импортировать сохранённый ранее вами файл данных в подпрограмму с помощью команды Project — Import Text Table. При этом откроется стандартное диалоговое окно выбора файла рис. 21.

22. Для построения графика следует использовать команду команду Table — Create Fit Plot - Marker, Line&Marker для отображения данных в виде экспериментальных точек. При этом должно открыться диалоговое окно выбора колонок для построения графика. В качестве данных для оси Х по умолчанию выбрать колонку А, в качестве данных для оси Y по умолчанию выбрать колонку B для построения зависимости В=В(А) рис. 22.

23. После настройки графика закрыть данный диалог нажатием кнопки Close.

24. В появившемся окне графика данных щелкнуть правой кнопкой мыши в области окна и выбрать наилучший масштаб для отображения автоматически: Scale: Best View рис. 23.

25. Оценка параметра а представляет интегральный коэффициент токовой чувствительности фотодиода S_I.

26. Пример отчёта, генерируемого компонентом LabVisual MagicPlot:

LAST FIT

Data Points Number: 5

Fitted Curves Number: 1

Parameters Number: 2

Degrees of Freedom (DoF): 3

Data Total Sum of Squares (TSS): 1.1427

Weighting: No

Iterations: 5

Convergence: 1.9096e-14

RESULTS

Residual Sum of Squares (RSS, χ^2): 2.8e-4

Reduced RSS: 9.3333e-5

Residual Standard Deviation: 0.0097

Coefficient of Determination R^2: 0.9998

Adjusted R^2: 0.9995

DATA INTERVALS

From To

50 90

FITTED CURVES

Line Curve 1 a=0.0338±3.0551e-4 b=1.118±0.0218

FITTED PARAMETERS

Parameter Curve 1 a Curve 1 b

Value 0.0338 1.118

Std. Dev. 3.0551e-4 0.0218

CORRELATION MATRIX

Parameter Curve 1 a Curve 1 b

Curve 1 a 1 -0.9802

Curve 1 b -0.9802 1

Информация о найденных параметрах аппроксимирующей кривой выводится в строчке FITTED CURVES.

27. По окончании работы следует закрыть программу-оболочку LabVisual и все открытые подпрограммы, закрыть виртуальную среду VirtualBox (при работе в среде Linux). В предлагаемом при закрытии меню рекомендуется выбирать пункт «ВЫКЛЮЧИТЬ МАШИНУ» либо «СОХРАНИТЬ СОСТОЯНИЕ МАШИНЫ».

28. Выключить компьютер, нажав на кнопку, находящуюся в крайнем нижнем левом углу экрана. Из доступных действий выбрать «ВЫХОД»--> «ВЫКЛЮЧИТЬ КОМПЬЮТЕР».

29. Отключить установку от сети, поставив переключатели «СЕТЬ» на панели установки в положение «выкл» и вынуть сетевые вилки из розеток.