Порядок выполнения эксперимента

КАЛУЖСКИЙ ФИЛИАЛ

Ю. К. Крутоголов, Р. В. Нехаенко

«Определение длины волны квантового выхода излучения светодиода».

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по физике твердого тела.

Калуга 2004 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Техника безопасности. 3

2. Цель работы.. 3

3. Теоретическая часть. 3

4. Экспериментальная часть. 5

Порядок выполнения эксперимента. 5

5. Контрольные вопросы.. 8

6. Литература. 9

Техника безопасности

Прежде, чем включать установку, необходимо изучить настоящую инструкцию.

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

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

Запрещается включать источники питания приборов, а также осуществлять манипуляции с установкой, не предусмотренные настоящей инструкцией.

Цель работы

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

Теоретическая часть

Светодиод – это p-n переход сильно легированных полупроводников p-типа и n-типа. При прохождении через него прямого тока происходит явление излучения света, т.е. при прямом смещении он способен люминесцировать. Люминесценция – неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела. Кванты света возникают в процессе рекомбинации инжектируемых p-n переходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда. В нем происходит преобразование электрической энергии в энергию оптического излучения.

Инжекция ­­– проникновение избыточных неосновных носителей заряда вглубь области полупроводника, прилегающей к электронно-дырочному переходу при прохождении через проход электрического тока.

Рис. 1

Важнейшей характеристикой светодиодов является внешний квантовый выход η_ext, который определяется как отношение интегрального по спектру числа Φ излучаемых квантов, выходящих во внешнюю среду по всем углам, к числу носителей заряда, пересекающих p-n переход в единицу времени:

(1)

где I – сила тока через диод,

q – заряд электрона.

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

(2)

Первый процесс – это инжекция (впрыскивание) неосновных носителей заряда через p-n переход при приложении к светодиоду прямого смещения: электронов в р-область и дырок в n-область (рис. 1). Эффективность инжекции неосновных носителей заряда в область, где происходит их излучательная рекомбинация, характеризующаяся коэффициентом инжекции η_i. Эта величина всегда меньше единицы и показывает, какую долю в полном токе через светодиод составляют неосновные носители, инжектированные в указанную область:

(3)

где I₁ – инжекционная (диффузионная) составляющая тока через p-n переход.

Зависимость инжекционного тока от падения напряжения U на p-n переходе имеет вид:

(4)

- постоянная Больцмана.

Т - абсолютная температура.

Полный ток представляет собой сумму инжекционного тока I₁ и тока утечки I₂, обусловленного безызлучательной рекомбинацией в области пространственного заряда p-n перехода и местах его выхода на поверхность полупроводника. А зависимость тока утечки от напряжения на p-n переходе имеет вид:

, (5)

то полный ток зависит от напряжения следующим образом:

, (6)

где коэффициент 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.

, (7)

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

. (8)

Положение максимума полосы излучения зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Таблица 1

Полупроводник	Eg, эВ	Цвет люминесценции
AlGaAs (арсенид галлия-алюминия)	1,6 – 1,9	Красный
GaAsP (арсенид-фосфид галлия)	2,0 – 2,2	Желтый
GaP (фосфид галлия)	2,3	Зеленый
SiC (карбид кремния)	2,4 – 3,2
GaN (нитрид галлия)	3,4	Голубой

Экспериментальная часть

Рис. 2

Установка состоит из монохроматора УМ-2, стойки с кассетой, в которой размещены три светодиода типа АЛ3307 различного цвета свечения, миллиамперметра, вольтметра, реостата и источника питания, который служит для преобразования переменного напряжения (~220 В, 50 Гц) в постоянное (3 В) (1).

Для регулировки тока через светодиоды (2) и интенсивности излучения светодиодов служит реостат (3). Величина тока через светодиод и падение напряжения на нем измеряются миллиамперметром (4) и вольтметром (5). Светодиоды поочередно подключаются к цепи питания с помощью переключателя (6).

Рис. 3

Оптическая схема установки изображена на рис. 3. Излучение светодиода (1), размещенного в кассете, укрепленной на стойке перед входной щелью монохроматора, через входную щель (2) и объектив коллиматора (3) попадает на диспергирующую призму (4). Далее излучение через объектив зрительной трубы (5) и выходную щель (6) поступает в окуляр (7). В фокальной плоскости зрительной трубы расположен указатель (8). Монохроматор отградуирован по длинам волн.

Порядок выполнения эксперимента

1. Собрать электрическую схему установки рис. 2.

2. С помощью переключателя (6), расположенного на кассете со светодиодами, подключить к цепи питания красный светодиод (при этом светодиод должен располагаться напротив отверстия в прозрачной стенке кассеты.

3. Подключить источник питания (1) к сети ~220 В, 50 Гц.

4. Тумблером «Вкл» включить источник питания. Плавно вращая ручку регулятора напряжения, расположенную на лицевой панели источника питания, установить выходное напряжение источника питания 3 В. Контроль выходного напряжения осуществлять по показаниям вольтметра, расположенного на лицевой панели источника питания.

5. Перемещая движок реостата (3), установить минимальное напряжение на диоде согласно таблице 2. При этом на светодиоде должно наблюдаться свечение. Контроль напряжения U осуществлять стрелочным вольтметром (5).

6. Измерить ток I через светодиод миллиамперметром (4). Результаты занести в таблицу (2).

7. Установить кассету со светодиодами вплотную перед входной щелью монохроматора.

8. Плавно вращая измерительный барабан монохроматора, добиться расположения указателя в поле зрения окуляра зрительной трубы в центральной части светового пятна, созданного излучением светодиода.

9. Произвести отсчет градусов (относительно делений) угла поворота барабана против индекса, скользящего по спиральной канавке. Результаты отсчета занести в таблицу 2.

10. Дважды повторить измерения по п.п. 5 – 9, увеличивая каждый раз напряжение U на 0,5 В.

11. Повторить измерения по п.п. 2, 5 – 10, последовательно подключая к цепи питания желтый и зеленый светодиоды.

12. Используя зависимость λ от деления барабана в градусах, определить длину волны.

13. Установить ручку регулятора источника питания в крайнее левое положение.

14. Выключить источник питания и отключить его от сети.

Таблица 2

Цвет люминесценции	U, В	I, мА	Деления барабана, град.	λi, мкм	<λ>, мкм	Δλi, мкм	(Δλi)2, мкм2
Красный	1,0
1,5
2,0
Желтый	1,5
2,0
2,5
Зеленый	2,0
2,5
3,0

15. Рассчитайте энергию фотонов , соответствующую максимуму интенсивности излучения каждого светодиода по формуле:

,

где - постоянная Планка,

- скорость света.

16. Используя таблицу 1, оцените ширину запрещенной зоны и определите вид полупроводника, из которого изготовлен светодиод.

Рис. 4

Контрольные вопросы

1. Что такое светодиод?

2. В чем состоит явление рекомбинации?

3. Чем определяется частота излучаемого света?

Литература

1. А. Э. Юнович, В. В. Остробородова. Спецпрактикум по физике полупроводников. Часть II. Издательство Московского университета, 1980 г.

2. А. А. Харламов. Специальный физический практикум. Учебное пособие для студентов физических специальностей высших учебных заведений. Издательство Московского университета, 1980 г.

3. В. А. Батушев. Электронные приборы. Учебник для вузов. Издательство «Высшая школа», 1980 г.

4. Б. Робертсон. Современная физика в прикладных науках. Перевод с английского. М.: «Мир», 1985 г.

5. П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов. Физика твердого тела. Учебник для высших учебных заведений. Издательство «Высшая школа», 2000 г.