ЛАБЫ / ЛР5

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа новых производственных технологий Обеспечивающее подразделение: Отделение материаловедения Направление подготовки: 12.03.02 Оптотехника ООП: Оптико-электронные приборы и системы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 Исследование характеристик СИД

дисциплина «Источники и приёмники оптического излучения»

Томск

1

Введение

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД (СД, Light-emitting diode -LED) -

полупроводниковый прибор с одним или несколькими потенциальными барьерами, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения на основе явления инжекционной электролюминесценции.

В настоящее время полупроводниковые светоизлучающие диоды получили широкое применение в различных областях светотехники. Ещё недавно светодиоды были всего лишь устройствами индикации, а сегодня это уже высокоэффективные источники света. Высокий интерес к этим полупроводниковым приборам проявляется в связи с их уникальными характеристиками и достоинствами.

Низкое потребление электроэнергии, большой срок службы (до 100 000 часов), узкий спектр монохроматического излучения, возможность получения практически любых оттенков света, высокая светоотдача, миниатюрность, экологичность, широкий диапазон рабочих температур, высокая электробезопасность – вот те преимущества, которыми обладают светоизлучающие диоды (СД), по сравнению с традиционными источниками оптического излучения.

Выпускаемые сегодня светодиоды имеют достаточно узкий энергетический спектр излучения, что позволяет отнести их к т.н. спектральным источникам света. Цвет излучаемого света зависит только от ширины запрещенной зоны активной области, в которой рекомбинируют электроны и дырки, то есть, от материала полупроводника, и от легирующих примесей.

Устройство светодиода упрощенно представлено на (Рис.1.). Свет, излучаемый полупроводниковым кристаллом, попадает в миниатюрную оптическую систему, образованную сферическим рефлектором и самим прозрачным корпусом диода, имеющим форму линзы. Изменяя конфигурацию рефлектора и линзы, устанавливая вторичные линзы, добиваются необходимой направленности излучения.

2

Рис. 1. Конструкция 5 мм светодиода

Рис. 2. Получение белого света а) путём смешивания излучения красного, зелёного и синего светодиодов; б) с помощью кристалла синего светодиода и слоя жёлтого люминофора; в) с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора

Основные современные материалы, используемые в кристаллах светодиодов:

–GaN, InGaN – синие, зеленые и ультрафиолетовые светодиоды высокой

яркости;

–AlGaInP – желтые, оранжевые и красные светодиоды высокой яркости;

–GaAs, AlGaAs – красные и инфракрасные светодиоды;

–GaP – желтые и зеленые светодиоды, и др. материалы.

Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом

Где γ - эффективность инжекции электронов в активную область; ηi - внутренний квантовый выход;

ko - оптическая эффективность или коэффициент вывода излучения.

3

Произведение γ ŋi определяет эффективность инжекционной люминесценции. Однако даже при большом значении γ ŋi внешний квантовый выход может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду. Это обусловлено тем, что при выводе излучения из активной области кристалла имеют место следующие потери энергии:

Рис. 3. Полное внутреннее отражение лучей в кристалле полупроводника

Эффективность выхода оптического излучения из кристалла характеризуется коэффициентом, ko и определяется отношением мощности выходящего излучения (Po) к мощности излучения (Pg), генерируемого внутри кристалла

ko=Po/Pg

Таким образом, внешний квантовый выход ŋext – это интегральный показатель излучательной способности СД, который учитывает эффективность инжекции = γ, электролюминесценции и вывода излучения в создании оптического излучения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Поскольку светодиод в общем случае представляет собой прибор с p-n переходом, то его вольтамперная характеристика будет описываться выражением:

где

Выражение представляет собой формулу Шокли, описывающую вольтамперную характеристику идеального p-n перехода.

4

Цели работы:

−Исследовать вольтамперные и люменамперные характеристики «зеленого», «синего» «красного» светодиодов при 15 значениях тока. При этом обращать внимание на тщательность измерения напряжения, которое изменяется незначительно при изменении тока в широком интервале значений.

−Используя программу «Microsoft Excel» либо пакет «Origin» построить графики ВАХ и люмен-амперных характеристик в относительных единицах, определить Uотс и Rs.

−Построить зависимость силы излучения от мощности СИД.

−Построить ВАХ в координатах lnI и V. Определить n по наклону прямой.

Исходные данные для расчёта: k=8,6·10-5 эВ/K;

S= 1 мм2;

hзел = 2,38 эВ; hкрасн = 1,96 эВ.

Для перевода световых единиц (лм) в энергетические (Вт) необходимо световой поток "зелёного" (λэфф = 530 нм) светодиода разделить на 485 лм/Вт, а "красного"(λэфф = 630 нм) – на 180 лм/Вт; геометрический фактор установки δ =10-2.

Излучающий СИДы представляют собой полупроводниковые гетероструктуры излучающие в синей (λмакс = 475 нм), зелёной (изумрудной) (λмакс = 530 нм) и красной (λмакс = 630 нм) областях спектра с мощностью 1 Вт. Предельное значение силы тока 350 мА.

5

ХОД РАБОТЫ

Согласно результатам измерения, представленным в Приложении 1, таблица 1, построим ВАХ каждого светодиода.

Рис. 4. ВАХ красного СИД Уравнение кривой: y = 0.46539x ± 0.03462

R2 = 0.91868

Рис. 5. ВАХ зелёного СИД Уравнение кривой: y = 0.23943x ± 0.01715

R2 = 0.92851

6

Рис. 6. ВАХ синего СИД Уравнение кривой: y = 0.41814x ± 0.01899

Напряжение отсечки примерно соответствует высоте потенциального барьера с погрешностью ±kT/e. Рассчитаем эту погрешность, считая, что во время проведения измерений T = 22 = 295К:

7

±kT/e = ±8.6·10-5·295 = ±0.25 В.

Можем записать высоту потенциального барьера для светодиодов:

Екр = (2.30 ± 0.25) В;

Езел = (4.18 ± 0.25) В;

Есин = (2.00 ± 0.25) В;

Построим люмен-амперные характеристики светодиодов. Для этого необходимо рассчитать силу света и световой поток светодиодов по формулам:

I = lE , где l = 0.2 м;

2

Ф = πI

Результаты расчётов представлены в приложении 1, таблица 2.

Рис. 7. ЛАХ светодиодов Сравнение люмен-амперных характеристик показывает, что зелёный

светодиод имеет при тех же значениях тока имеет большее значение светового потока в то время, как синий светодиод имеет наименьший световой поток.

8

Рис. 8. Кривая спектральной чувствительности глаза Это объясняется тем, что приёмник излучения в установке корригирован под

кривую спектральной чувствительности глаза (рис.8) (наибольшая чувствительность в ней приходится на длину волны λ = 555 нм что соответствует зелёной части спектра).

Рассчитаем значение мощностей светодиода и построим зависимость силы излучения от мощности. Мощность определим с помощью данной формулы:

P = I · U

где, I ‒ значение тока светодиода;

U ‒ значение напряжения светодиода.

Результаты расчётов приведены в приложении 1, таблицы 3-4.

Составим по данным таблицы №4 графики зависимости и проследим их характер.

Рис. 9. Зависимость силы света от мощности Из графика видно, что сила света возрастает с увеличением мощности,

потребляемой светодиодом. Скорость этого возрастания различна для различных

9

светодиодов: наибольшая для зелёного. наименьшая для синего. Это так же объясняется кривой спектральной чувствительности.

Для расчёта коэффициента неидельности ВАХ светодиодов, строим графики в полулогарифмических координатах.

Рис. 10. ВАХ красного светодиода в полулогарифмических координатах Уравнение кривой: y = 6.65934x ± 0.94669

R2 = 0.75566

Рис. 11. ВАХ зелёного светодиода в полулогарифмических координатах Уравнение кривой: y = 5.26643x ± 0.40405

R2 = 0.92892

10