Laurea in Ingegneria Elettronica per l'automazione e le Telecomunicazioni

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1 Laurea in Ingegneria Elettronica per l'automazione e le Telecomunicazioni Corso di Elettronica per l Automazione (9CFU) Caso Studio: Fotodiodo Docente del corso: Prof. Andrea Cusano Assistente di laboratorio: Ing. Giuseppe Quero ANNO ACCADEICO 2017/2018

2 Dispositivo sensoriale: Fotodiodo Parte 1: Teoria sul principio di funzionamento Parte 2: Caratterizzazione metrologica

3 Dispositivo sensoriale: Fotodiodo Parte 1: Teoria sul principio di funzionamento Parte 2: Caratterizzazione metrologica

4 Definizione Il fotodiodo è un trasduttore in grado di convertire un segnale ottico in un segnale elettrico

5 Principio di funzionamento Alla base del funzionamento di un fotodiodo vi è l'assorbimento elettromagnetica da parte di un materiale. della radiazione Assorbimento: quando il sistema si trova nello stato fondamentale E1 e viene investito da un fotone con energia hν=e2-e1, il sistema ha una certa probabilità di assorbire il fotone passando allo stato eccitato E2. In pratica l energia che il fotone trasporta si trasforma in energia acquistata dall elettone che passa a un orbitale più lontano dal nucleo (e quindi più energetico). Un fotorilevatore non fa altro che sfruttare la generazione di cariche indotta dall'assorbimento di fotoni per dar luogo ad un segnale elettrico che può essere opportunamente gestito mediante un apposito circuito. Nel caso più semplice, se queste cariche vengono sottoposte all'azione di un campo elettrico esterno si otterrà una corrente, la cui intensità sarà legata alla potenza della radiazione incidente (è il funzionamento che sta alla base di una fotoresistenza).

6 Principio di funzionamento V V negativa I p n -W 1_new W 2_new DARK CURRENT V D FOTONI Nel momento in cui un fotone viene a contatto con la superficie della giunzione, cederà ad essa la sua energia dando vita a nuove coppie elettrone-lacuna.

7 Principio di funzionamento V V negativa I p n -W 1_new W 2_new DARK CURRENT V D FOTONI Nel momento in cui un fotone viene a contatto con la superficie della giunzione, cederà ad essa la sua energia dando vita a nuove coppie elettrone-lacuna. Data la presenza del campo elettrico gli elettroni saranno spostati verso la regione di tipo N, mentre le lacune andranno verso la regione di tipo P. In altri termini aumenta la corrente di cariche minoritarie. Questo effetto da luogo ad un contributo di corrente, detta "corrente fotogenerata", che si manifesta con una traslazione della caratteristica corrente-tensione.

8 Schema di principio I V D V BIAS FOTODIODO R LOAD

9 Schema di principio I V D v D I V BIAS FOTODIODO R LOAD v out

10 Schema di principio I V D v D I V BIAS FOTODIODO R LOAD v out

11 Schema di principio I V D v D I V BIAS FOTODIODO R LOAD v out

12 Il nostro sensore

13 Il nostro sensore

14 Dispositivo sensoriale: Fotodiodo Parte 1: Teoria sul principio di funzionamento Parte 2: Caratterizzazione metrologica

15 Setup sperimentale Il setup sperimentale è costituito dai seguenti dispositivi: Fotodiodo () Sorgente Laser () ultimetro () La suddetta strumentazione è collegata in modo opportuno come vedremo anche in laboratorio. Cavo in fibra ottica Cavo elettrico

16 Caratterizzazione Caratterizzazione Potenza (W) Tensione (V) Sensibilità Operazione preliminare: collegare tra di loro i dispositivi in modo opportuno ed accendere la strumentazione (controllore di temperatura e multimetro) 1. leggere il valore in tensione sul multimentro quando la potenza del laser viene fissata a P1 2. leggere il valore in tensione sul multimentro quando la potenza del laser viene fissata a P2>P1 3. leggere il valore in tensione sul multimentro quando la potenza del laser viene fissata a P3>P leggere il valore in tensione sul multimentro quando la potenza del laser viene fissata a Pn>Pn-1 P = P1 V= Vout 1 (P=P1) P = P2 V= Vout 2 P = P3 V= Vout 3 P = Pn V= Vout n (P=P2) (P=P3) (P=Pn)... Calcolare le variazioni di tensione ΔV1= Vout 2 Vout 1 ΔV2= Vout 3 Vout 1 ΔV3= Vout 3 Vout 1 ΔVn= Vout n Vout 1

17 Caratterizzazione Riportare su un grafico: le variazioni di tensione calcolate precedentemente rispetto ai valori di potenza; l interpolazione dei dati ; calcolare il coefficiente angolare della retta di interpolazione ΔV (V) tan(β) = coefficiente angolare = Sensibilità del sensore ΔVn ΔV2 ΔV 1 β 0 P1 P2 Pn P(W)

18 Caratterizzazione Per ogni Potenza P (P1, P2... Pm) applicata al fotodiodo, calcolare la variazione di tensione per un numero di prove pari a m Calcolare media (μ) e deviazione standard relativa percentuale (RDS) per ogni temperatura applicata dove RDS=100 X dev.std./media ΔV (V) ΔVn ΔV2 ΔV 1 [μ(2),rds(2)] [μ(2),rds(2)] [μ(2),rds(2)] n Numero di prove (m) Calcolare la deviazione standard relativa percentuale (RDS) totale come: Somma(RDS _1, RDS _ 2,..., RDS _ n) n

19 Isteresi Si parla di isteresi quando la caratteristica del trasduttore è differente nei casi in cui il segnale sia in crescita e quello in cui il segnale sia in diminuzione. Aumento della potenza (Salita) P = P1 V= Vout 1 P = P2 V= Vout 2 P = P3 V= Vout 3 (P=P1) (P=P2) (P=P3)... P = Pn V= Vout n (P=Pn) P = P1 V= Vout 1 P = P2 V= Vout 2 P = P3 V= Vout 3 (P=P1) (P=P2) (P=P3) P = Pn V= Vout n (P=Pn)... Diminuzione della potenza (Discesa)

20 Isteresi Si parla di isteresi quando la caratteristica del trasduttore è differente nei casi in cui il segnale sia in crescita e quello in cui il segnale sia in diminuzione. ΔV (V) ΔVn (s, d) Salita ΔV2 (s, d) ΔV 1 (s, d) β 0 T1 T2 Tn Discesa T( C) Errore di isteresi in % Vn(s) Vn(d ) edia( Vn(s), Vn(d )) 100

21 Grazie per l attenzione