fizyka CWICZENIE E2, Budownictwo, semestr I


ĆWICZENIE E2.

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ

Wprowadzenie

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. light-emitting diode) - dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni.

Wynalezienie diody

Do produkcji weszła w latach sześćdziesiątych w formie opracowanej przez amerykańskiego inżyniera Nicka Holonyaka juniora, który jest uważany za jej wynalazcę.

Działanie

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Główne parametry diod LED:

Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest arsenek galu (GaAs) i między innymi dzięki tej własności głównie on jest wykorzystywany do produkcji źródeł promieniowania (drugim powodem jest bardzo duża sprawność kwantowa - jest to parametr określający udział przejść rekombinacyjnych w wyniku których generowane są fotony do ilości nośników ładunku przechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n, przejścia rekombinowane zachodzą w obszarze czynnym złącza).

0x01 graphic

przy czym:

W krzemie i germanie dominują przejścia skośne.

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie LED mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania:

0x01 graphic

przy czym:

Miarą strat na odbicie wewnętrzne i pochłanianie jest stosunek zewnętrznej do wewnętrznej sprawności kwantowej nqz/nnw. O ile wewnętrzna sprawność kwantowa nqw jest zależna od technologii procesu wytwarzania złącza oraz właściwości zastosowanego półprzewodnika, o tyle na zewnętrzną sprawność kwantową ma także wpływ kształt diody.

Charakterystyki prądowo-napięciowe LED

Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową.

Promieniowanie diod elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs są spełnione warunki dla prostych przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali l = 650 nm.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm - kolor niebieski do 950 nm - bliska podczerwień.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. arsenek galu GaAs, fosforek galu GaP, arseno-fosforek galu GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego przez diody LED zależy od materiału półprzewodnikowego są to barwy: niebieska, żółta, zielona, pomarańczowa, czerwona.

Nazwa

Materiał

Barwa

arsenek galu

GaAs

podczerwień

fosforek galu

GaP

czerwona, zielona, żółta

fosforo-arsenek galu

GaAs1-xPx

czerwona, pomarańczowa, żółta

galo-arsenek glinu

AlxGa1-xAs

czerwona, podczerwień

azotek galu

GaN

niebieska, biała

Średni prąd przewodzenia IF nie powinien przekraczać 20 - 100 mA, zależnie od typu diody i ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora połączonego szeregowo z diodą. Zalety diod elektroluminescencyjnych:

Odmiany i zastosowania LED IR - emitujące promieniowanie podczerwone - wykorzystywane w łączach światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania

PROGRAM ĆWICZENIA

  1. Wyznaczyć charakterystykę prądowo-napięciową otrzymanej diody świecącej - wykonać staranny wykres na papierze milimetrowym lub w formie elektronicznej.

  2. Zadbać, aby natężenie prądu płynącego przez diodę nie przekroczyło 50 mA, a napięcie na diodzie nie było większe niż 5V.

  3. Wykonać analizę błędów - zamieścić na wykresie odpowiednie informacje.

  4. Wykonać przynajmniej 20 pomiarów - po 10 dla polaryzacji przewodzenia i polaryzacji zaporowej diody.

  5. Pomiary wykonać w układzie poprawnego pomiaru napięcia, oraz poprawnego pomiaru natężenia prądu (patrz ćwiczenie E1).

  6. Zamieścić tabelę ze zmierzonymi wartościami, spis przyrządów, uwagi i wnioski.



Wyszukiwarka