Лабораторная работа № 10.1 Исследование явления испускания света полупроводниками
Цель работы: экспериментально исследовать излучение светодиода и определить постоянную Планка.
Приборы и принадлежности: светодиод, спектроскоп, источник постоянного тока, потенциометр, миллиамперметр, вольтметр.
Вывод рабочих формул и описание установки
В
полупроводниках наряду с процессами
генерации электронов и дырок идет
процесс рекомбинации: электроны переходят
из зоны проводимости в валентную зону,
отдавая энергию решетке и испуская
кванты электромагнитного излучения с
энергией
,
где
- ширина
запрещенной зоны (рис.10.1). Именно это
явление и используется в светоизлучающих
диодах (светодиодах). Эти диоды представляют
собой излучающий
- переход, свечение которого вызвано рекомбинацией носителей заряда при смещении диода в прямом направлении. Его условное обозначение в электрических цепях приведено на рис.10.3.
Рис.10.3
Если
на
-
переходе (рис.10.2) создать при помощи
внешнего источнике разность потенциалов,
уменьшающую потенциальный барьер (как
говорят, подать прямое смещение на
переход), то можно увеличить вероятность
прохождения электронов и дырок через
-
переход. Если прямое смещение равно
, где
~ заряд электрона, то электроны и дырки
могут беспрепятственно проходить через
область
-
перехода. В зтом случае создаются
благоприятные условия для рекомбинации
электронно-дырочных пар в области
-
перехода и наблюдается испускание
света. Таким образом, светодиод
представляет собой излучающий
-
переход. Излучение фотонов не когерентно,
но спектр излучения сравнительно узкий,
вследствие чего излучение воспринимается
в видимой части спектра как одноцветное.
Цвет излучения зависит от полупроводникового
материала, изменяясь от инфракрасного
до зеленого.
Достоинствами полупроводниковых светодиодов является высокий КПД, возможность модуляции излучения по произвольному закону путем управления возбуждающим током, малые габариты, возможность согласования с интегральными схемами, высокая надежность.
Если
прямое смещение
таково, что
то, очевидно, энергия фотона, излученного
светодиодом, равна:
или
.
Определив экспериментально , длину волны испускаемого света , можно определить постоянную Планка :
В
работе исследуется излучение излучающего
-
перехода диода АЛ 102Б из арсенида гелия.
Схема включения светодиода в электрическую
цепь приведена не рис.10.4. Миллиамперметр
и вольтметр измеряют соответственно
силу тока через диод и напряжение на
нем. Увеличение прямого тока через
светодиод наступает как раз при равенстве
прямого смещения величине потенциального
барьера
.
При
дальнейшем незначительном увеличении
смещения не светодиоде сила гона в его
цепи резко возрастает. Пропорционально
силе тока увеличивается и мощность
излучения. Для уверенной регистрации
потока излучения на выходе монохроматора
за рабочую силу тока следует принять
10
15 мА.
Конструктивно вся электрическая схема смонтирована на панели, а светодиод может легко крепиться на входном тубусе монохроматора.
Рис.10.4