Wstęp teoretyczny.

Diody elektroluminescencyjne mają szerokie zastosowanie jako bardzo trwałe lampki sygnalizacyjne. Działanie ich polega na przepływie prądu przez barierę potencjału na złączu półprzewodnikowym n i p. Diody półprzewodnikowe robione są z arsenku galu lub fosforu. Elektrony w trakcie przejścia między poziomami wyższym E2 a niższym E­­­1, emitują promieniowanie, którego energia kwantów:

hv=E₁ - E₁=ΔE (1)

Gdzie:

• h - stała Planka;

• v - częstość drgań fali świetlnej;

Widmo świecenia tworzy, w praktyce, zamiast pojedynczej linii poszerzone pasmo. Jest to wynik zróżnicowania przejść energetycznych elektronów w obszarze bariery potencjałów, której kształt nie jest dokładnie prostokątny. Otrzymujemy przez to pasma energetyczne. Widmo świecenia diody żółtej znajduje się w obszarze długości fal od ok. 550 do 650nm. Diody zielonej to ok. 530 do 590nm , a czerwona od ok. 620 do 710nm. Nie są to wartości absolutne.

Mechanizm świecenia diod elektroluminescencyjnych jest dość skomplikowany. Różnica energii E₂-E₁ równa jest szerokości przerwy wzbronionej półprzewodnika, oznaczonej jako ΔE. Zakładając dokładniejszą analizę należy także uwzględnić istnienie pasm energetycznych utworzonych przez atomy domieszek.

Szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika ΔE można wyznaczyć w sposób przybliżony na podstawie charakterystyki prądowo napięciowej złącza. Przykładową charakterystykę pokazano na rysunku. Z dość dobrym przybliżeniem można przyjąć ze szerokość przerwy energetycznej (delta) E jest równa :

ΔE =e U_B

gdzie e jest ładunkiem elektronu, a U_B jest punktem przecięcia odcinka przedłużającego prostoliniowy odcinek charakterystyki, z osią odciętych (napięć)

Wartość energii fotonów hν można wyznaczyć na podstawie pomiarów charakterystyk widmowych świecenia emitowanego przez diodę . Do tego celu można wykorzystać spektrometr pryzmatyczny , który mierzy natężenie świecenia emitowanego przez badane źródło dla poszczególnych , wybranych wartości energii.

Ponieważ diody elektroluminescencyjne wysyłają stosunkowo wąskie pasmo świecenia , np. w porównaniu z żarówka , choć szersze od widma liniowego, emitowanego i przez wzbudzone atomy gazów , to jeśli znamy szerokość przerwy energetycznej (delta )E oraz częstość fali świetlnej , emitowane przez złącze , możemy pokusić się o przybliżone wyznaczenie stałej Plancka h , kożystając ze wzoru 1a.

H=Δ E/v =Δ E*λ/c

Gdzie lambda - długość fali promieniowania wysyłanego przez diodę , prędkość światła w próżni

Według Einsteina energia uzyskana przez elektron jest mu dostarczona w postaci pochłanianego w całości kwantu hω.

Cześć tej energii równa pracy wyjścia A zużywana jest na to by elektron mógł opuścić ciało . Jeżeli światło uwalnia elektron nie przy samej powierzchni katody to część tej energii jest równa E'- może być tracona wskutek przypadkowych zderzeń wewnątrz materiału katody . reszta energii przekształca się w energie kinetyczna E_K elektronu opuszczającego materie . E_K jest max gdy E'=0.Wtakim przypadku powinna być spełniona zależność:

hw=1/2mV²+A (1)

Jest to równanie Einsteina

Ze wzoru(1) wynika ,ze jeżeli praca wyjścia A przewyższa energie kwanty hω, elektrony nie mogą opuścić materiału, Zatem , aby wystąpiło zjawisko fotoelektryczne, konieczne jest spełnienie warunku

hω >_A lub ω>/ω₀=A/h

λ<_λ₀=2pi h c/A

Częstość w₀(lub długość fali λ₀) nosi nazwę „CZERWONEJ GRANICY ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO”

W omawianym wyżej zjawisku fotoelektrycznym elektronu uzyskuje energię tylko od jednego fotonu. Takie procesu nazywamy jednofotonowymi. Wraz z wynalezieniem laserów urzeczywistniono zjawiska wielofotonowe fotoelektryczne, w których to elektron otrzymuje energie nie od jednego , lecz od N fotonów.

W tym przypadku równanie Einsteina przyjmuje postać

Nhw=1/2 m. V² + A

A czerwona granica przesuwa się w kierunku fal dłuższych (λ₀ zwiększa się N- krotnie).

---