Pomiar widma świecenia diod

elektroluminescyjnych

Ćwiczenie nr 70

Opis teoretyczny

Einsteinowi udało się wyjaśnić efekt fotoelektryczny dzięki całkiem nowemu założeniu, mianowicie, że energia wiązki świetlnej rozchodzi się w przestrzeni w postaci skończonych porcji energii zwanych fotonami. Energia E pojedynczego fotonu dana jest wzorem

E=hυ

Diody elektroluminescencyjne mają szerokie zastosowanie jako lampki sygnalizacyjne w sprzęcie elektronicznym powszechnego użytku, a także w automatyce przemysłowej. Jako bardziej wydajne i trwałe, zastąpiły wcześniej stosowane małe żarówki sygnalizacyjne. Ich działanie opiera się na przepływie prądu elektrycznego przez barierę potencjału na złączu przewodników typu n i p. Najczęściej wykonuje się złącza (diody półprzewodnikowe) z arsenku galu GaAs lub arsenku fosforu GaP. Przy przejściu elektronów w obszarze bariery z wyższego poziomu energetycznego E₂ na niższy E₁, zostaje emitowane promieniowanie, którego energia kwantów:

hυ=E₂-E₁=ΔE (1)

gdzie h - stała Planka, υ - częstość drgań w fali świetlnej. W praktyce widmo świecenia tworzy zamiast pojedynczej linii poszerzone pasmo, co wynika ze zróżnicowania przejść energetycznych elektronów w obszarze bariery potencjału, której kształt nie jest dokładnie prostokątny. Wskutek tego zamiast poziomów E₂ i E₁ występują pasma energetyczne. Widmo świecenia diody żółtej leży w obszarze długości fal ok. 550 do 650nm, dla diody zielonej od ok. 530 do 590nm, a dla czerwonej od ok. 620 do 710nm. Obszary te mogą się nieco różnić dla diod wytwarzanych przez różnych producentów. Dla porównania warto podać, że szerokość linii wysyłanych przez atomy gazów nie przekracza setnych części nanometra. Podobnie wąskie są linie emitowane przez diody laserowe. Ogólny opis mechanizmu świecenia diod elektroluminescencyjnych jest skomplikowany. W uproszczonym modelu zjawiska można przyjąć, że różnica energii E₂-E₁ jest równa szerokości przerwy wzbronionej półprzewodnika, oznaczonej jako ΔE. Przy dokładniejszej analizie trzeba uwzględnić także istnienie pasm energetycznych utworzonych przez atomy domieszek.

Szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika ΔE można wyznaczyć w sposób przybliżony na podstawie charakterystyki prądowo - napięciowej złącza. Przykładową

Przykładową charakterystykę złącza pokazano na rys 1. Z dość dobrym przybliżeniem można przyjąć, że szerokość przerwy energetycznej ΔE półprzewodnika jest równa:

ΔE=eU_o

gdzie e jest ładunkiem elektronu, a U_o jest punktem przecięcia odcinak przedłużającego prostoliniowy odcinek charakterystyki, z osią odciętych (napięć).

Rys. 1. Przykładowa charakterystyka prądowo -

napięciowa diody świecącej.

Wartość energii fotonów hυ można wyznaczyć na podstawie pomiarów charakterystyk widmowych świecenia emitowanych 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 żarówką, choć szersze od widma liniowego, emitowanego przez wzbudzone atomy gazów, to jeśli znamy szerokość przerwy energetycznej ΔE oraz częstość υ fali świetlnej, emitowanej przez złącze, możemy pokusić się o przybliżone wyznaczenie stałej Planka h, korzystając ze wzoru (1a):

(1a)

gdzie λ - długość fali promieniowania wysyłanego przez diodę, c - prędkość światła w próżni.

Opis doświadczenia

Wnioski

Analiza błędów

6

21.02.2000

Prof. E. Dębowska

Marcin Grześczyk

II rok „bis” - Fizyka

---