Отчёт по лабораторной работе № 5

 

 

По дисциплине: Физика

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: Исследование светодиодов.

 

Выполнили: студенты гр. ОНГ-10-1 ______________ / Кущенко А.Н. /

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

______________ / Кавун В.С. /

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

 

Дата: _________________

 

ПРОВЕРИЛ:

 

Руководитель: доцент ____________ /Томаев В.В./

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

 

Санкт-Петербург

2012 год.

Цель работы: изучение работы светодиодов. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника и постоянной Планка.

 

Общие теоретические сведения:

В основе светоизлучающего диода лежит многослойная гетероструктура. Гетероструктура представляет собой последовательность полупроводниковых слоев, отличающихся химическим составом и шириной запрещенной зоны.

Гетеропереход – переходный слой с существующим в нем диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.

Для формирования качественного гетероперехода необходимо совпадение типа, ориентации и периода кристаллических решеток контактирующих полупроводников.

Гетеропереходы делятся на три основных типа:

а) гетеропереход 1 типа;

б) ступенчатый гетеропереход 2 типа;

в) разъединенный гетеропереход 2 типа.

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию, в энергию оптического излучения. Излучение вызвано рекомбинацией (возвращением электронов из зоны проводимости в валентную зону) носителей заряда при прохождении тока в прямом направлении через выпряляющий электрический переход.

Область структуры светодиода, в которой проходит рекомбинация электронов и дырок называется активной.

Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра электромагнитных волн.

Длина волны излучения светодиода зависит от химического состава использованного в активной области полупроводника.

Для того чтобы кванты энергии (фотоны), освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть достаточно большой (DЕ > 1,7 эВ), при меньшей ширине запрещенной зоны исходного полупроводника кванты энергии, освобождающиеся при рекомбинации носителей заряда, соответствуют инфракрасной области излучения.

Энергия фотона, образовавшегося при рекомбинации. Определяется:

Так как частота связана с длиной волны , то энергию можно выразить:

Максимум в спектре излучения светодиода соответствует наиболее вероятному переходу – с нижнего энергетического уровня свободной зоны на верхний уровень валентной зоны. И тогда:

Где E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника.

Активная область ограничена слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны, которые обеспечивают локализацию носителей в узкозонной области, что приводит к увеличению вероятности рекомбинации носителей заряда.

Отношение излученных фотонов к числу рекомбинированных пар носителей называется внутренним квантовым выходом. Если бы рекомбинация неравновесных электронов и дырок, в активной области происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход был бы равен 100%. Однако значительная часть актов рекомбинации не заканчивается выделением энергии в виде фотонов. Такие переходы электронов между энергетическими уровнями называют безызлучаемыми. Соотношение между излучаемыми и безызлучаемыми переходами зависит от ряда причин, в частности от структуры энергетических зон полупроводника, наличия примесей, которые могут увеличить или уменьшить вероятность излучательных переходов.

Увеличение длины волны с повышением температуры активной области светодиода вызвано уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника, при этом, из-за увеличения влияния колебаний кристаллической решетки уменьшается внутренний квантовый выход.

Яркость светодиода с увеличением температуры падает.

Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов разных цветов. У материалов с меньшей шириной запрещенной зоны температурная зависимость длины волны и яркости сильнее. Она больше у красных и желтых, и меньше у зеленых, синих и белых. Поэтому для надежной и стабильной работы светодиодов важен хороший теплоотвод.

Даже при высоком внутреннем квантовом выходе внешний квантовый выход значительно меньше. Образовавшиеся фотоны могут поглотиться полупроводником до выхода в окружающее пространство. Существенными могут оказаться потери при полном внутреннем отражении фотонов, падающих на границу раздела полупроводника и окружающей атмосферы под углом. Превышающим критический угол полного внутреннего отражения:

где n₂ – абсолютный показатель преломления среды, окружающей полупроводник, n₁ – абсолютный показатель преломления полупроводника.

Для многих проводников , поэтому если полупроводник имеет плоскую форму, то только незначительная часть фотонов покинет полупроводник. Наиболее простым решением является формирование на поверхности кристалла сферического покрытия из пластического материала с высоким показателем преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения.

Допустим, что при каждом акте рекомбинации электрона и дырки получается один квант света, энергия которого определяется формулой .

При увеличении от нуля прямого напряжения, подаваемого на светоид. Ток медленно нарастает. Когда напряжение достигает U_o, сила тока резко возрастает и светодиод начинает излучать свет. Внешнее электрическое поле для перевода электрона через p – n – переход совершает работу:

где - заряд электрона, U_o – величина подаваемого напряжения, при котором светодиод начинает светиться.

В этом случае: . А из этой формулы можно определить постоянную Планка:

Описание установки.

1-источник тока

2-соединительные провода

3-магазин сопротивлений

4-коммунитационная коробка

со светодиодами

5-амперметр

6-вольтметр

Расчетные формулы: