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 Eg – 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 Uo, сила тока резко возрастает и светодиод начинает излучать свет. Внешнее электрическое поле для перевода электрона через p – n – переход совершает работу:
где 
- заряд электрона, Uo – 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:
