Светодиоды

Рассмотрим работу светодиодов. Если через полупроводниковый диод течет ток, то это означает, что электроны n- п/проводника слева и дырки р- п/проводника справа текут в область n- р- контакта (рис. 7). При этом возникает ситуация, когда в области n- р- контакта одновременно появляются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Поскольку энергия электрона в зоне проводимости больше, чем в валентной зоне, электрон, естественно, переходит в валентную зону, занимая место дырки. В соответствие с законом сохранения энергии электрон при таком переходе излучает фотон света с энергией:

Е_Ф = Е_П - Е_В = hν.

Здесь Е_П - энергия электрона в зоне проводимости, а Е_В - в валентной зоне.

Поскольку при таком переходе электрона дыра исчезает, говорят, что электроны в области n- р- контакта, рекомбинируют с дырками, испуская при этом кванты света. Если диод, по которому течёт ток, используется как источник света, то он называется светодиодом. Однако для создания практически пригодного светодиода годится не любой полупроводник. Первое требование, предъявляемое к полупроводнику, состоит в том, чтобы в процессе рекомбинации как можно большая часть носителей гибла с испусканием фотонов. Таким требованиям удовлетворяют полупроводники на основе арсенида галлия (GaAs).

Цвет (длина волны) свечения светодиода определяется в основном шириной запрещенной зоны полупроводника E_g. Однако монохроматичность испускаемого светодиодом света сравнительно невелика. Это обусловлено тем, что электроны и дырки при своём движении могут иметь различную энергию. В представлениях зонной теории это означает, что электроны и дырки перед рекомбинацией находятся на различных энергетических уровнях (рис. 8). Если рекомбинация электронов и дырок будет происходить по схемам 1, 2, 3, приведённым на рисунке 8, то будут излучены фотоны света с различными длинами волн.

Однако если мы рассмотрим фотоны света с минимальной энергией, которые возникают при переходе электрона по схеме 1 на рис. 8, то энергия такого фотона будет равна ширине запрещённой зоныE_g: hν_min = hc/λ_max = E_g. Отсюда:

E_g = hc/λ_max (1)

Здесь: h = 6,610^-34 Джс - постоянная Планка, с = 310⁸ м/с - скорость света. Формула (1) позволяет определить ширину запрещённой зоны материала полупроводника по измеренным значениям длины волны λ_max излучения светодиода. Измерение длины волны λ_max излучения светодиода в данной работе проводится с помощью спектроскопа УМ -2. Работа состоит из двух упражнений. В первом упражнении с помощью ртутной лампы производят градуировку спектрометра.

Во втором упражнении исследуют спектр излучения красного светодиода, вид спектра которого схематично представлен на рис. 9. λ_max определяют по левой границе спектра испускания светодиода.

Спектрометр ум - 2

Станина 1 спектрометра установлена на рельсе 2, на котором крепятся также другие устройства установки (рис. 10). На призменном столике 3 закреплены призмы, которые с помощью поворотного механизма могут поворачиваться относительно направления падающего луча света. На барабане 4 поворотного механизма нанесены относительные деления - градусы. Отсчет градусов производится против риски визирного устройства 5, скользящего по спиральной канавке. Во время работы шкала и визирное устройство освещаются лампочкой 6, которая включается с помощью тумблера 7. Свет от исследуемого источника света попадает на призмы через коллиматор 8. Коллиматор имеет входную щель 9, ширина раскрытия которой от 0 до 4 мм устанавливается с помощью ручки 10.

Рис. 10

1

2

4

3

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

(Примечание. Щель коллиматора настроена, ручку 10 без крайней необходимости не крутить!). Луч света, пройдя диспергирующие призмы, попадает в объектив зрительной трубы 11 спектрометра, который собирает их в плоскости окуляра 12, через который происходит наблюдение спектральных линий. В фокальной плоскости окуляра зрительной трубы установлен указатель, освещаемой лампочкой. Луч света, проходящий через коллиматор 8, может быть перекрыт заслонкой 13, которая в рабочем положении должна быть открыта.