Elektronikpraktikum - SS 2014 H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen Gebäude 02-413 (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430 Serie 6: Lichtdetektoren 03./04.07.2014 I. Ziel der Versuche Verständnis der Funktionsweise von Leuchtdioden (LED), Laserdioden, PIN-Photodioden und Multi-Pixel-Photonenzähler (Silizium-Photomultiplier). II. Vorkenntnisse Photometrische Grundbegriffe, physikalische Grundlagen von Photo-, Leucht- und Halbleiterdioden, Kennlinienfelder dieser Dioden, Schaltzeichen. In der heutigen Praktikumsserie werden Versuche mit optoelektronischen Halbleiterelementen durchgeführt, also mit Elementen, die Licht aussenden (Leuchtdiode oder Laserdiode) oder detektieren können (Photodioden, Lawinendioden). Die emittierenden Dioden werden in Durchlassrichtung betrieben, während die detektierenden Dioden in der Regel in Sperrrichtung geschaltet sind. Beachten sie bitte, dass die Leuchtdioden und die Laserdioden durch einen zu hohen Strom zerstört werden.
1. Messung der Lichtstärke von Leucht- und Laserdioden 1.1 Mit der folgenden Anordnung soll die Lichtstärke von Leuchtdioden und Laserdioden als Funktion ihres Durchlassstromes gemessen werden. Der Detektor ist eine Photodiode vom Typ BPW 21, deren Sperrstrom über mehrere Größenordnungen proportional zur Beleuchtungsstärke ist. Stellen sie die Photodiode und eine Leuchtdiode in einem Abstand von ca. 5 cm gegenüber auf. Das Umgebungslicht können sie durch Schließen des Koffers abschirmen. Benutzen sie den Funktionsgenerator mit einem langsam veränderlichen Sägezahn, um die Leuchtdioden anzusteuern. Die Photodiode wird mit einer Vorspannung U r = 4 V betrieben (warum?). Messen sie die Lichtstärke aller LEDs und der Laserdiode nach Möglichkeit über mehrere Größenordnungen und speichern sie die Datensätze ab. 1.2 Hausaufgabe Tragen sie die Lichtstärke der verschiedenen Leuchtdioden und der Laserdiode als Funktion des Durchlassstromes auf. Benutzen sie dazu die Photostrom- Beleuchtungsstärke-Charakteristik aus dem Datenblatt der Photodiode unter Berücksichtigung der spektralen Empfindlichkeit der Photodiode.
2. Impulsverhalten der Laser- und Leuchtdioden. 2.1 Die Leuchtdioden werden nun mit einem kurzen Spannungsimpuls erregt (50-Ohm- Abschluss verwenden). Wählen sie folgende Parameter: Wiederholfrequenz f = 1kHz, Impulsdauer t = 100 ns. Die Spannungsamplitude müssen sie langsam hochdrehen bis sie ein Signal sehen. Zur Detektion wird eine schnelle PIN-Photodiode (Typ SFH 203) benutzt, die mit einer Sperrspannung von 12 V gemäß der obenstehenden Abbildung betrieben wird. Diese Schaltung ist bereits in dem Aluminiumgehäuse untergebracht. Die Anstiegs- und Abfallzeit dieser Diode sind deutlich kürzer als die der Leuchtdioden. Messen sie mit Hilfe des Oszillographen die Anstiegs- und Abfallzeiten für alle Leuchtdioden und speichern sie die Datensätze als Bilder und als Text-Datensätze (.csv) (Save Recall) ab, um sie zu Hause auswerten zu können. 2.2 Hausaufgabe Bestimmen sie die Anstiegs,- und Abfallzeit aus der Zeitdifferenz, die das Signal benötigt, um von 10 % auf 90 % anzusteigen (abzufallen). 2.3 Vergleichen sie die Impulsform der PIN-Photodiode BPW 21 mit der Photodiode SFH 203 (mit interner Vorspannung). Verwenden sie dazu die blaue Leuchtdiode. Die Impulsdauer sollte so kurz wie möglich eingestellt werden. Untersuchen sie auch das Photodiodensignal ohne den Abschlusswiderstand am Oszillographen. Speichern sie Bilder zum Vergleich ab. 2.4 Hausaufgabe Interpretieren sie die Ergebnisse aus Aufgabe 2.3. 2.5 Für die Messung der Sättigungscharakteristik des Multi-Pixel-Photonenzählers (Abschnitt 3.3) wird eine Lichtquelle mit kurzen Impulsen im ns Bereich benötigt, deren Lichtintensität sich definiert einstellen lässt. Hierfür eignet sich wieder die blaue Leuchtdiode. Stellen sie die Impulsbreite des Generators auf den kleinsten einstellbaren Wert (30ns). Messen sie die Spannungsamplitude der Photodiode SFH 203 als Funktion der Amplitude des Spannungsimpulses an der Leuchtdiode. Achten sie darauf, dass sie im linearen Bereich der Photodiode arbeiten. Mit Hilfe dieser Eichkurve können sie für die spätere Messung (3.3) die Lichtintensität definiert abschwächen. 3. Multi-Pixel-Photonenzähler 3.1 Prinzip des Multi-Pixel-Photonenzähler (Multi-Pixel-Photon Counter = MPPC) Sogenannte Multi-Pixel-Photonenzähler (MPPC) bestehen aus einer großen Anzahl von parallel geschalteten Lawinen-Dioden (Avalanche-Dioden), die in einer Matrix angeordnet sind. Diese Dioden, die man auch als Pixel bezeichnet, werden in Sperrrichtung betrieben, wobei die Sperrspannung kurz vor dem Lawinendurchbruch eingestellt wird. Lichtquanten können in den Dioden Elektron-Lochpaare erzeugen, die durch das hohe
elektrische Feld weitere Gitteratome ionisieren und so einen Lawinenprozess auslösen. Der Verstärkungsfaktor liegt in der Größenordnung von 10 6. Bei jeder dieser Dioden ist ein Löschwiderstand in Serie geschaltet mit dem der Lawinenprozess wieder gestoppt wird. Diesen Betriebsmodus nennt man Geigermodus, da jede Diode (Pixel), unabhängig von der Anzahl der Photonen, die auftreffen, ein immer gleich hohes Signal erzeugt. Treffen mehrere Photonen auf den MPPC, so ist das erzeugte Signal durch die Parallelschaltung aller Dioden proportional zur Anzahl der Photonen. Diese Aussage gilt, wenn nur maximal ein Photon auf ein Pixel trifft. Der dynamische Bereich der MPPC ist also abhängig von der Anzahl der Pixel. Durch den hohen Verstärkungsfaktor ist es möglich, einzelne Photonen nachzuweisen. Man nennt diese Detektoren deshalb auch Silizium-Photomultiplier (SiPM). In dem Versuch wird eine Hamamatsu Pixeldiode Typ S10362-11-050P mit 400 Pixeln benutzt. Die Diode ist nach Datenblatt wie folgt spezifiziert: empfindliche Fläche 1x1 mm², Pixelgröße 50 x 50 µm 2, Füllfaktor 61,5 %, Betriebsspannung (70 +- 10) V, Dunkelstrom 4. 10 5 Ereignisse/s, Verstärkungsfaktor 7.5. 10 5. 3.2 Messung der Dunkelstrom-Impulshöhenverteilung des Multi-Pixel-Photonenzähler (MPPC) mit Hilfe des Oszillographen. Zunächst müssen sie sicherstellen, dass der MPPC absolut lichtdicht im Koffer eingeschlossen ist. Die Signale des MPPC werden mit einer schnellen, rauscharmen, zweistufigen Operationsverstärkerschaltung (bereits eingebaut) um einen Faktor 50 verstärkt. Diese Ausgangssignale sollen mit dem Oszilloskop beobachtet werden. Die Betriebsspannung, die von einem Steckernetzteil (0-80 V) geliefert wird, muss sehr genau (einige 10 mv) eingestellt werden, da der SiPM im Lawinenmodus betrieben wird. Die optimale Spannung liegt bei ca. 70 V und variiert je nach Exemplar um ca. 2 V. Solange der MPPC unter Spannung steht, darf der Koffer unter keinen Umständen geöffnet werden. a) Drehen sie die Spannung des Steckernetzteils, die sie mit dem Multimeter messen müssen, langsam auf ca. 70 V hoch bis sie Signale am Ausgang des Verstärkers sehen können. Diese Signale haben eine negative Amplitude im mv Bereich. Die zeitliche Breite beträgt nur einige 10 ns. Die Ausgangssignale setzen ab einem Schwellenwert ein. Danach sollte die Spannung höchstens noch um 2 V erhöht werden. Der genaue Wert ist auf dem MPPC vermerkt. Schalten sie die Zählratenmessfunktion des Oszillographen über ''Measure'' ''Counter on'' ein und triggern sie auf kleine Signale. Untersuchen sie, ob ihr Koffer lichtdicht ist, indem sie gezielt mit einer Taschenlampe die kritischen Stellen des Koffers ableuchten. Falls sie eine Zählratenerhöhung bemerken, muss diese Stelle mit schwarzem Klebeband abgedichtet werden. Bei einer Erhöhung der Triggerschwelle sollten sie Sprünge in der Signalamplitude beobachten. Stellen sie das Oszilloskop auf eine lange Nachleuchtdauer. Bei einer geeigneten Einstellung sollten sie die Impulshöhenverteilung der Signale auf dem Oszillographen direkt erkennen können. Speichern sie Bilder für verschiedene Signalamplituden ab. b) Messung der Impulshöhenverteilung. Schalten sie zusätzlich die Amplitudenmessfunktion des Oszillographen über ''Measure'' ''Voltage'' ''Amplitude'' ein. Sie sehen dann die Triggerrate und die ermittelte Amplitude des Impulses auf dem Display. Verändern sie nun die Triggerschwelle und notieren sie sich in der vorbereiteten Tabelle die drei Größen Triggerschwelle, Amplitude und Zählrate. (sie können auch die Mittelungsfunktion
einschalten um den Amplitudenwert genauer zu ermitteln.) Trigger- Schwelle Amplitude Zählrate Trigger- Schwelle Amplitude Zählrate Trigger- Schwelle Amplitude Zählrate Hausaufgabe Tragen sie die Zählrate und die Spannungsamplitude als Funktion der Triggerschwelle des Oszillographen auf. (Wie können die beiden Diagramme ineinander umgerechnet werden?) Welcher Spannungsamplitude können sie Ein-Photonenereignissen zuordnen? Hausaufgabe Interpretieren sie die Ergebnisse. c) Nehmen sie die Impulshöhenverteilung mit Hilfe des Ausleseprogramms ''ScopeReadout.exe'' auf. sie müssen einige Minuten messen, um auch die seltenen Ereignisse mit hohen Amplituden erfassen zu können, da die maximale Datenaufnahmerate nur ca. 30 Hz beträgt. sie können auch mit zwei verschiedenen Triggerschwellen arbeiten und die Impulshöhendiagramme für kleine und große Signale getrennt aufnehmen. Wiederholen sie den Versuch für 3 verschiedene Betriebsspannung (max. +- 1V?) des MPPCs. Speichern sie für jede Betriebsspannung einige Signale als Oszillographenbilder ab. d) Hausaufgaben Stellen sie die Impulshöhenverteilung für die verschiedenen Betriebsspannungen graphisch dar. sie können dazu das Root-Makro ''MakeHisto.C'' verwenden. Vergleichen sie das Ergebnis mit Darstellung aus Teil c). Wie können die Diagramme ineinander umgerechnet werden? Berechnen sie die Verstärkung des MPPCs von Ein-Photonensignalen, indem sie den Spannungsimpuls graphisch integrieren. Der Spannungsimpuls entsteht durch den Spannungsabfall des Stromimpulses an einem 50 Ohm Widerstand. Der Verstärkungsfaktor der Operationsverstärkerschaltung beträgt 50.
3.3 Sättigungscharakteristik des MPPC Stellen sie die blaue Leuchtdiode vor den MPPC und schwächen sie das Licht mit der aluminisierten Folie ab. Der Abschwächungsfaktor beträgt ca. 10-4. Triggern sie den Oszillographen auf den Impulsgenerator und messen sie die Spannungsamplituden der Signale des MPPCs als Funktion der Spannungsamplitude der Leuchtdiode. Versuchen sie die Lichtstärke so weit zu reduzieren, dass nur wenige Photonen auf den MPPC fallen. 3.4 Hausaufgabe a) Stellen sie die gemessen Amplitude des MPPC als Funktion der Lichtstärke dar. Dazu müssen sie die Eichkurve aus Teil 2.5 verwenden. b) Berechnen sie die erwartete Sättigungscharakteristik und vergleichen sie das Ergebnis mit Teil a).