Порядок выполнения эсперимента

Техника безопасности.

1. Прежде, чем включить установку, необходимо изучить настоящую инструкцию.

2. При выполнении работы необходимо соблюдать общие правила техники безопасности для данной лаборатории.

3. Эксплуатация установки допускается только в случае заземления входящих в неё приборов и блоков.

4. Запрещается вскрывать кожухи источника питания и других приборов, а также осуществлять манипуляции с органами управления установки, не предусмотренные настоящей инструкцией.

Цель работы.

Изучение физических процессов, происходящих в светодиоде при прямом смещении, и определение внешнего квантового выхода излучения светодиода.

Теоретическая часть.

3.1. Квантовый выход излучения светодиода.

Светодиод – это p-n-переход, который при прямом смещении способен люминесцировать.

Люминесценция – неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением света.

Таким образом, светодиоды относятся к классу люминесцентных приборов, в которых происходит прямое преобразование энергии электрического тока в энергию оптического излучения.

Важнейшей характеристикой светодиодов является внешний квантовый выход (или внешняя квантовая эффективность).

Внешний квантовый выход определяется как отношение интегрального по спектру числа излучаемых квантов, выходящих во внешнюю среду по всем углам, к числу носителей заряда, пересекающих p-n-переход в единицу времени :

, гдеI – сила тока через диод,

q – заряд электрона.

Внешний квантовый выход удобно представить в виде трёх составляющих, характеризующих три процесса, протекающих при работе светодиода :

Первый процесс – это инжекция (впрыскивание) неосновных носителей заряда через p-n-переход при приложении к светодиоду прямого смещения : электронов в p-область, дырок в n-область (рис. 1).

Эффективность инжекции неосновных носителей заряда в область, где происходит их излучательная рекомбинация, характеризуется коэффициентом инжекции . Эта величина всегда меньше единицы и показывает, какую долю в полном токе через светодиод составляют неосновные носители, инжектированные в указанную область :

, где - инжекционная (диффузионная) составляющая тока через p-n-переход.

Зависимость инжекционного тока от падения напряжения U на p-n-переходе имеет вид : , где R – постоянная Больцмана,

T – абсолютная температура.

Полный ток представляет собой сумму инжекционного тока и тока утечки , обусловленного безызлучательнойрекомбинацией в области пространственного заряда p-n-перехода и местах его выхода на поверхность полупроводника. А поскольку зависимость ткоа утечки от напряжения на p-n-переходе имеет вид : , то полный ток зависит от напряжения следующим образом :

, где коэффициент β изменяется от 1 до 2 при изменении соотношения между инжекционным током и током утечки при разных напряжениях на p-n-переходе.

Если при этом излучательная рекомбинация определяется инжекционным током, т.е.

, то зависимость интенсивности излучения (интегрального числа фотонов) от полного тока имеет степенной вид : .

На рис.2 (кривая 1) показана типичная вольтамперная характеристика светодиода из арсенида галлия. Там же показана зависимость от напряжения интенсивности излучения (кривая 2).

Второй процесс – это рекомбинация инжектированных неосновных носителей заряда (рис. 1). Этот процесс характеризуется эффективностью генерации света (или квантовым выходом излучательной рекомбинации) , которая определяется как отношение числа неосновных носителей заряда, рекомбинировавших с излучением отонов, к полному числу неосновных носителей, участвовавших в процессе рекомбинации. Другими словами, характеризует отношение вероятности излучательной рекомбинации к полной вероятности рекомбинации.

Для полупроводников с разным типом зонной структуры вероятность излучательной рекомбинации, характеризуемая коэффициентом рекомбинации B, существенно различается (табл.1). Так для непрямозонных полупроводников, т.е. для полупроводников с непрямыми переходами электронов из зоны проводимости в валентную зону, величина B, а значит, при прочих раынх условиях, и эффектность генерации света на четыре порядка меньше, чем для прямозонных полупроводников. Кроме того на величину оказывает влияние степень совершенства кристалла полупроводника, тип и концентрация примеси.

Часто вместо двух величин и используют одну : , которую называют внутренним квантовым выходом.

Полупроводник	Тип зонной структуры	Коэффициент рекомбинации B,
Si (кремний) Ge (германий)   Gap (фосфид галлия) GaAs (арсенид галлия)   GaSb (антимонид галлия) InSb (антимонид индия)	Непрямозонный Непрямозонный   Непрямозонный Прямозонный   Прямозонный Прямозонный

Внутренний квантовый выход (внутренняя квантовая эффективность) определяется как отношение полного числа возникающих фотонов к числу носителей заряда, пересекающих p-n-переход в единицу времени :

Третий процесс – это вывод света из светодиода во внешнюю среду. Этот процесс характеризуется коэффициентом вывода света (или оптической эффективностью) .

Поскольку излучение, возникающее вблизи p-n-перехода, должно пройти через объём полупроводника, то часть его при этом поглощается и превращается в тепло. Свет, достигающий поверхности, частично отражается обратно в полупроводник. Так как показатель преломления n большинства полупроводников велик, при больших углах падения происходит полное внутреннее отражение. Для арсенида галлия и фосфида галлия углы полного внутреннего отражения равны соответственно и . Поэтому внешний квантовый выход всегда меньше внутреннего. Его характерные значения для светодиодов при комнатной температуре лежат между 0,1% и 7%, а значения при оптимальных условиях могут превышать 50%.

Для того, чтобы уменьшить полное внутреннее отражение, в светодиодах прибегают к просветляющим покрытиям поверхности прозрачной смолой с показателем преломления, приблизительно равным n. Кроме того, для уменьшения потерь на внутреннее отражение светодиоды делают с внешней поверхностью определённой формы, и кристаллы полупроводника размещают перед отражателями, что позволяет осуществить дополнительную фокусировку излучения. На рис.3 приведена типичная конструкция светодиода.

Рис.4 иллюстрирует принцип измерения внешнего квантового выхода излучения светодиода.

Измерение внешнего квантового выхода светодиода (СД) проводится непосредственно по току короткого замыкания градуированного кремниевого фотоэлемента (ФЭ).

Полупроводниковый ФЭ по своему принципиальному устройству не отличается от диода. Если на поверхность ФЭ падает свет с энергией квантов , то возникающие электронно-дырочные пары разделяются p-n-переходом, и в короткозамкнутой внешней цепи протекает ток короткого замыкания .

Отношение числа электронов, проходящих в единицу времени в короткозамкнутой цепи, к числу падающих на элемент фотонов называется квантовым выходом ФЭ, .

Спектральная зависимость квантового выхода кремниевого фотоэлемента, применяемого в данной работе, показана на рис.5.

Для измерения внешнего квантового выхода излучения светодиода необходимо знать спектральную зависимость и спектр излучения светодиода.

Если - спектральная интенсивность излучения диода (фотонов в секунду), а - спектральная зависимость квантового выхода ФЭ (электронов/фотон), то ток короткого замыкания элемента равен . Здесь K – коэффициент собирания излучения светодиода фотоэлементом.

Тогда , где

C – коэффициент, зависящий от спектров излучения СД и фоточувствительности ФЭ. Если полоса спектра излучения узка по сравнению с полосой спектральной чувствительности ФЭ, то вместо интегрирования по формуле (13) можно приблизительно записать , где - квантовый выход ФЭ при энергии фотонов, соответствующей максимальному квантовому выходу излучения СД.

Экспериментальная часть.

Описание установки.

Исследование зависимости интенсивности излучения A от силы тока I и определение внешнего выхода излучения светодиода осуществляется на установке, электрическая схема которой представлена на рис.6. Установка состоит из прозрачного кожуха, под которым расположены друг напротив друга светодиод (1) типа АЛ307 красного цвета свечения и кремниевый фотодиод (2) типа ФД-24К, а также миллиамперметра (3), вольтметра (4), микроамперметра (5), реостата (6) и источника питания (7). Источник питания служит для преобразования переменного напряжения ( 220В, 50Гц) в постоянное. Для регулировки тока через светодиод, а значит, и интенсивности излучения светодиода, используется реостат. Сила тока через светодиод и падение напряжения на нём измеряются миллиамперметром и вольтметром, соответственно. Для регистрации излучения светодиода и измерения его интенсивности служит фотодиод накоротко замкнутый на микроамперметр.

Спектральная зависимость квантового выхода кремниевого фотодиода представлена на рис.5. там же представлен спектр излучения светодиода типа АЛ307 красного цвета свечения в относительных единицах.

В данной установке коэффициент K собирания излучения светодиода фотодиодом равен 0,3.

Порядок выполнения эсперимента.

1. Собрать электрическую схему установки согласно рис.6.

2. Установить ручку регулятора напряжения, расположенную на лицевой панели источника питания (7), в крайнее левое положение.

3. Установить движок реостата (6) в среднее положение.

4. Принять меры для устранения попадания внешнего излучения (“засветки”) на фотодиод.

5. Подключить источник питания к сети 220В, 50Гц.

6. Тумблером “Вкл.” Включить источник питания.

7. Плавно вращая ручку регулятора напряжения, установить силу тока I через светодиод, равную 1 мА. Контроль тока осуществить стрелочным миллиамперметром (3) с диапазоном измерения “20 мА”.

8. Следить за падением напяржения U на светодиоде по показаниям стрелочного вольтметра (4). Прямое падение напряжения не должно превышать 1,7 В.

9. Измерить ток через фотодиод микроамперметром (5). Результаты измерения токов I и занести в таблицу 2.

ТАБЛИЦА 2

I ,мА
, мкА

10. Повторить измерения по п.п. 7-9 ещё 19 раз, увеличивая каждый раз ток I через светодиод на 1 мА.

11. Установить ручку регулятора напряжения источника питания в крайнее левое положение.

12. Выключить источник питания и отсоединить его от сети.