Лабораторная работа 2.9 Определение ширины запрещённой зоны по спектру люминесценции

Цель работы:

• изучить спектральный состав излучения, возникающего в области p-n перехода при пропускании тока в прямом направлении.

• определить ширину запрещённой зоны по спектру люминесценции

Приборы и оборудование: специальная установка – светодиоды, присоединённые к источнику питания; спектральная установка с дифракционной решёткой.

Краткие теоретические сведения

Светодиод – полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании тока через p-n переход в направлении от p- к n-области. При прохождении тока через p-n переход электроны и дырки инжектируются в активную область, где они рекомбинируют с излучением света. Длина волны излучения в максимуме спектральной полосы определяется шириной запрещённой зоны :

.

Светодиоды характеризуются высокой яркостью (порядка 1000 кд/м²), высоким квантовым выходом излучения (до 50%) и могут испускать излучение в широком диапазоне длин волн (от 0,35 мкм до 7 мкм). Основными материалами, которые применяются в настоящие время для изготовления светодиодов, являются фосфид галлия, карбид кремния и твёрдые растворы, имеющие состав: галлий – мышьяк – фосфор и галлий – мышьяк – алюминий.

Светодиоды АЛ 307, изготовленные на основе твёрдого раствора галлия – алюминия – мышьяка, дают излучение красного цвета, а изготовленные на основе фосфида галлия испускают излучение зелёного или жёлтого цвета.

Принцип действия и схема светодиода приведены на рисунке 9.1.

Схема установки

Для данной лабораторной работы используется такая же установка, как и в работе 2.1. Она представляет собой основную линейку, у одного из концов которой установлена дифракционная решётка, а на другом конце – поперечная измерительная линейка со щелью посредине (рисунок 1.2). В качестве источника света используется располагаемый перед щелью светодиод, спектральный состав которого необходимо определить. Схема установки приведена на рисунке 9.2.

Дифракционная решётка ДР размещена на расстоянии L от измерительной линейки, на которой визуально через дифракционную решётку наблюдается спектр излучения светодиода СД, проходящего через щель. Расстояние x изображения линии от центрального максимума (щели) связано с угловым положением максимума k-го порядка для излучения с длиной волны  следующим соотношением:

,

Расчётная формула для вычисления длины волны излучения имеет следующий вид:

,

где – расстояние между штрихами дифракционной решётки. Величиныx и L удобнее измерять в миллиметрах или сантиметрах (существенно, чтобы единицы измерения обоих величин были одинаковыми). Единица измерения  будет совпадать с единицей измерения постоянной решётки d.

Порядок выполнения работы

1. Установить щель спектральной установки перед светодиодом. Измерить расстояниеL между щелью и дифракционной решёткой.

2. Измерить положение центра и краёв спектрального максимума для порядка спектра ,и. Результаты измерений занести в таблицу 9.1. Проделать эти измерения для светодиодов, излучающих свет синего, зелёного, жёлтого и красного цветов.

3. Вычислить по формуле длины волн центра и краёв спектральной полосы и занести в таблицу 9.1.

4. Вычислить ширину запрещённой зоны по формуле , используя найденное ранее значение длины волны, соответствующей центру полосы излучения. Результат занести в таблицу.

Таблица 9.1. Результаты измерений и вычислений.

	k	L, мм	d, мкм	x, мм	 м	, эВ
Светодиод 1	1
	2
	3
…	…	…	…	…	…	…
Светодиод 4	1
	2
	3

Контрольные вопросы

1. Как зонная теория объясняет существование проводников, полупроводников и изоляторов?

2. Чем определяется энергия активации полупроводника?

3. При каких условиях возникает люминесценция фотодиода?

4. Какие ещё явления можно использовать для экспериментального определения ширины запрещённой зоны?