Лабораторная работа №3. «Изучение квантовых и волновых свойств излучения светодиода»

Лабораторная работа №3.

«Изучение квантовых и волновых свойств излучения светодиода».

Цель работы: исследовать волновые и квантовые свойства излучения светодиода.

Задачи работы:

·  измерение длины световой волны излучения светодиода с помощью дифракционной решётки.

·  определение постоянной Планка с помощью светодиода;

Оборудование: осветитель светодиодный, линза собирающая ЛС-2, дифракционная решётка с периодом 0,002 мм, прибор для измерения длины световой волны из набора «ЕГЭ – лаборатория по оптике и квантовой физике», цифровой вольтметр постоянного напряжения, цифровой миллиамперметр постоянного тока, переменный резистор 10 Ом, соединительные провода из набора «ЕГЭ – лаборатория по электродинамике», ключ, источник постоянного тока.

Теория и метод выполнения работы:

Работа важна тем, что знакомит вас с экспериментальным методом определения одной из фундаментальных физических констант - постоянной Планка. Эта работа развивает ваш политехнический кругозор, поскольку знакомит вас с физическими основами работы широко внедряемого в настоящее время в различных отраслях техники современного источника света — светодиода.

Устройство светодиода и его обозначение на схемах электрической цепи, представлены на рис. 1 и рис. 2.

Рис.1	Рис.2

В основе принципа действия светодиода положено преобразование электроэнергии в излучение, спектр которого может лежать в видимой или инфракрасной области спектра. Светодиодная структура представляет собой электронно-дырочный переход, поэтому меха­низмы прохождения тока через полупроводниковый диод и светодиод одинаковы.

Материалы электронно-дырочного перехода светодиодной структуры подбираются таким образом, что свободные электроны в n-области (эмиттере) имеют меньшую энергию, чем в p-области (базе). При отсутствии внешнего электрического поля диффузии основных носителей заряда через p-n-переход (электронов из n - в р- область и дырок в противоположном направлении) препятствует внутреннее электрическое поле, называе­мое контактным. Напряженность этого поля Ек, толщина p-n-перехода d и контактная разность потенциалов Uk связаны соотношением: Ek = Uk/d. Из-за наличия контактного поля для перевода электрона из n - в р- область и дырки в противоположном направлении требуется совершить работу, равную произве­дению заряда электрона на контактную разность потенциалов, т. е. преодолеть потенциальный барьер eUk (см. рис.3 а).

Когда диод работает в пропускном направ­лении, напряженность внешнего электри­ческого поля Е противоположна напря­женности контактного поля Ек. Поэтому потенциальный барьер на р-n-переходе уменьшается на величину eU (где U — внешняя разность потенциалов), становясь равным eUk-eU (см. рис.3 б), и часть ос­новных носителей заряда получает воз­можность преодолевать р-n-переход. При этом происходит инжекция (впрыскивание) электронов и дырок соответственно в те области р и n, где эти носители не являются основными.

Когда внешнее напряжение U становится по значению близким к Uk, скачок потенциала на p-n переходе eUk - eU и его толщина d стремятся к нулю. Тогда электроны и дырки беспрепятственно устремляются навстречу друг другу и сила тока резко возрастает. Она ограни­чена лишь электрическим сопротивле­нием кристалла, каким он обладает без p-n перехода. Контактную разность по­тенциалов Uk легко определить, прове­дя к вольтамперной характеристике диода касательную до пересечения ее с осью абсцисс (см. рис. 4).

рис.3

рис.4

При прямом токе через р-n переход электроны, попав в р- область, и дырки, попав в n-область, рекомбинируют: электроны становятся связанными, а дырки исчезают. Обычно энергия, выделяемая при рекомбинации, передается кристаллической решетке, но в некоторых полупроводниках (CaAs, СаР, InAs, InSb, SiC, ZnS) процесс рекомбинации сопровождается излучением квантов энергии hv. Иначе говоря, прохождение прямого тока через p-n-переход в ряде случаев со­провождается свечением области р-n перехода. На основе рекомбинационного излучения и работают светодиоды, иногда на­зываемые инжекционными, или люминесцентными диодами. Последнее назва­ние обусловлено тем, что при работе светодиода происходит электролюминес­ценция - непосредственное превращение энергии электрического тока в свето­вую энергию. В зависимости от кристалла и вида вводимых примесей свечение может проис­ходить в инфракрасной области спектра (арсенид галлия) или в видимой облас­ти спектра (фосфид галлия - красный, зеленый или желтый свет; карбид кремния - желто-зеленый или голубой свет).

В светодиоде энергия источника электрического тока, затраченная на устране­ние потенциального барьера eUk, для каждого носителя, превращается в све­товую энергию. Поэтому можно записать: eUk = hv, где v - частота излуче­ния светодиода, связана с длиной волны ν=с/λ, где с – скорость света (3∙108 м/с). Длину волны можно измерить при помощи дифракционной решётке с известным периодом (см. рис.5): .

рис.5

Т. к. . Окончательно формула дифракционной решётки принимает вид . Расчётная формула для определения длины волны лазерного излучения при помощи дифракционной решётки имеет вид .

Таким образом, измерив длину излучения светодиода при помощи дифракционной решётки и определив контактную разность потенциалов по его вольтамперной характери­стике, можно найти постоянную Планка:

Ход работы:

1.  Собрать экспериментальную установку по схеме:

2.  Изменяя положение ползунка потенциометра, снять показания цифрового миллиамперметра и цифрового вольтметра, с шагом 0,1 В.

U	В	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
I	mA
U	В	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
I	mA
U	В	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1	2,1	2,3
I	mA
U	В	2,4	2,5	2,6	2,7	2,8	2,9	3,0	3,1
I	mA

3.  По полученным экспериментальным значениям построить вольтамперную характеристику светодиода I=f(U) и по ней определить контактную разность по­тенциалов Uk, прове­дя к вольтамперной характеристике светодиода касательную до пересечения ее с осью абсцисс (осью напряжений).

4.  Используя дифракционную решётку с заданным периодом d, определить расстояние от дифракционной решётки до экрана b и расстояние a – расстояние от центрального максимума до первого k=1.

Постоянная (период) дифракционной решётки	d	м	2∙10-6
Дифракционный максимум	k	-	1
Расстояние от дифракционной решётки до экрана	b	см
Расстояние от центрального максимума до первого	a	см

5.  Значения контактной разности по­тенциалов Uk, периода дифракционной решётки d, расстояния от дифракционной решётки до экрана b, расстояния a – расстояние от центрального максимума до первого k=1, скорости света c=3∙108 м/с, величины элементарного заряда e=1,6∙10-19 Кл подставить в формулу для расчёта постоянной Планка и определить её значение .

6.  Относительную погрешность рассчитать по формуле . Табличное значение постоянной Планка принять за hтабл=6,63×10-34 Дж×с.

7.  Абсолютная погрешность рассчитывается по формуле .

8.  Окончательный результат представить в виде h=(hэксп±Δh)∙10-34 Дж×с.

9.  Указать интервал полученных значений в сравнении с табличным значением постоянной Планка hтабл=6,63×10-34 Дж×с.

10.  Относительную погрешность выразить в процентах .

11.  Сформулировать вывод.