Светодиоды. Лабораторная работа 3 По дисциплине физика тема Светодиоды Автор студент гр. Бтб 19 Баженова Е. В. (подпись) (Ф. И. О.)

• Название: Лабораторная работа 3 По дисциплине физика тема Светодиоды Автор студент гр. Бтб 19 Баженова Е. В. (подпись) (Ф. И. О.)
• Анкор: Светодиоды
• Дата: 02.04.2023
• Размер: 95.37 Kb.
• Имя файла: tv__5.docx
• Тип: Лабораторная работа; #1031399

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ



МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра общей и технической физики

Лабораторная работа №3

По дисциплине ФИЗИКА


Тема: Светодиоды
Автор: студент гр. БТБ -19 Баженова Е.В.

^{(подпись) (Ф.И.О.)}
ПРОВЕРИЛ: доцент Смирнова Н.Н.

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}
Санкт-Петербург
2020 год

1. Цель работы: знакомство с понятием «гетеропереход» и физическими принципами работы светодиодов.

2. 
   Краткое теоретическое содержание
   

Явление, изучаемое в работе – электронно-дырочный переход

Определения

Гетеропереход - переходный слой с существующим в нем диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.

Валентная зона – разрешенная зона, возникшая из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном (не возбуждённом) состоянии.

Уровень Ферми – энергетический уровень, вероятность заселения которого равна 0,5.

Светоизлучающий диод – полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения.

Полупроводник – вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температуры, электрического поля, света и др).

Диффузия – движение носителей заряда из-за градиента концентрации в объёме полупроводника.

Электронно-дырочный переход - переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.

Диффузионное электрическое поле – электрическое поле, возникающее между областями с различными типами электропроводности и созданное двумя слоями объемных зарядов.

Диффузионная длина – расстояние, на котором в полупроводнике без электрического поля избыточная концентрация носителей уменьшается в е раз вследствие рекомбинации.

Рекомбинация – возвращение электронов из зоны проводимости в валентную зону.

Внутренний квантовый выход – отношение излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график, выражающий зависимость силы тока от напряжения.

Законы и соотношения

Внешнее электрическое поле для перевода электрона через p-n переход совершает работу

(1)

где e – заряд электрон, [e] = Кл;

U₀ – величина внешнего поля, [U₀] = B.

3. 
   Схема установки
   

Рисунок 1 – Схема установки

1 – источник тока, 2 – магазин сопротивлений, 3 – коммутационная коробка со светодиодами, 4 – амперметр, 5 – вольтметр.

4. 
   Основные расчётные формулы
   

Постоянная Планка, h

(2)

гдеh - постоянная Планка, [h] =

e - заряд электрона, [e] = Кл;

U₀ – величина внешнего поля, при котором светодиод начинает светиться, [U₀] = В;

–длина волны, [ ] = м;

− скорость света в вакууме, [c] = м/c.

5. 
   Формула погрешности косвенных измерений
   

Относительная погрешность косвенных измерений постоянной Планка

(3)

Абсолютная погрешность косвенных измерений постоянной Планка

(4)

6. 
   Таблицы
   

Таблица 1

Результаты измерений

№ п/п	Светодиод
	Красный		Оранжевый			Зеленый
	I	U		I	U		I	U
	мА	В		мА	В		мА	В
1	0,000	1,000		0,000	1,190		0,000	1,800
2	0,000	1,190		0,000	1,360		0,000	1,930
3	0,000	1,360		0,000	1,520		0,000	1,950
4	0,003	1,520		0,014	1,670		0,001	2,040
5	0,054	1,660		0,187	1,780		0,003	2,150
6	0,407	1,740		0,636	1,820		0,010	2,250
7	0,945	1,770		1,161	1,850		0,027	2,340
8	1,490	1,790		3,16	1,900		0,063	2,430
9	3,710	1,840		4,070	1,900		0,124	2,500
10	4,600	1,860		4,890	1,920		0,219	2,550
11	5,390	1,870		5,620	1,930		0,350	2,600
12	6,080	1,880		6,270	1,940		0,510	2,640

Таблица 2

Результаты измерений и вычислений

Светодиод
Красный		Оранжевый			Зеленый
U0	h		U0	h	U0	h
мВ	Дж·с		мВ	Дж·с	мВ	Дж·с
1,520			1,670		2,040

7. 
   Пример вычислений
   

Исходные данные

λ _кр.= 620 нм

λ _ор.= 590 нм

λ _кр.= 520 ∸525 нм

Погрешность прямых измерений

U = 0,01 В

λ = 1·10^-9 м

I = 0, 001 мА

Вычисления по таблице 1 для красного светодиода



Вычисления по таблице 1 оранжевого светодиода



Вычисления по таблице 1 для зеленого светодиода



Вычисление среднего значения постоянной Планка



Вычисление абсолютной погрешности для красного светодиода



Вычисление абсолютной погрешности для оранжевого светодиода



Вычисление абсолютной погрешности для зеленого светодиода



Вычисление относительной погрешности косвенных измерений для красного светодиода

δ₁ = ·100% = = 0,71 %

Вычисление относительной погрешности косвенных измерений для оранжевого светодиода

δ₂ = ·100% = = 0,65 %

Вычисление относительной погрешности косвенных измерений для зеленого светодиода

δ₃ = ·100% = = 0,68 %

Сравнительная оценка результата

Для красного светодиода



Для оранжевого светодиода



Для зеленого светодиода



Окончательный результат

= ( ± ) · ;

= ( ± ) · ;

= ( ± ) · ;

8. 
   Графический материал
   

- Экспериментальные значения

- I = f(U)

Рисунок 2 – Вольт-амперная характеристика для красного светодиода



- Экспериментальные значения

- I = f(U)

Рисунок 3 – Вольт-амперная характеристика для оранжевого светодиода



- Экспериментальные значения

- I = f(U)

Рисунок 4 – Вольт-амперная характеристика для зеленого светодиода

9. 
   Анализ полученного результата. Вывод
   

В ходе лабораторной работы знакомлены с понятием «гетеропереход» и физическими принципами работы светодиодов. Кроме того, рассчитано значение постоянной Планка.

Окончательный результат

= ( ± ) · ;

= ( ± ) · ;

= ( ± ) · ;

Таким образом, относительная погрешность косвенных измерений имеет значение для красного светодиода ‒ 0,71%, для оранжевого светодиода ‒ 0,65 %, для зеленого светодиода ‒ 0,68 %. Сравнительная оценка для красного светодиода ‒ 2,48%, для оранжевого светодиода ‒ 2,65 %, для зеленого светодиода ‒ 1,87 %. Полученные результаты говорят о достаточно точной методике измерения и высокой точности измерительных приборов.
Ответы на контрольные вопросы (для защиты)
1) Что такое светодиод? Светоизлучающий диод – полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения.

2) Объясните принцип образования p-n перехода. Как возникает диффузное поле? Назовите основные отличия гетероперехода от p-n перехода.

А) Чтобы получить электронно-дырочный переход (p-n-переход), нужно в одном и том же кристалле полупроводника образовать то­ненькую границу полупроводника с разными типами проводимости. Проще всего это можно сделать так называемым сплавным методом.

В качестве основы берут пластинку из монокристалла германия, который имеет про­водимость n-типа. Сверху кладут кусочек трехвалентной примеси, например индия, и нагревают до 450—500 °C. При этом германий и индий сплавля­ются и после охлаждения получается p-n-переход. Тонкий слой германия обогащается индием, вследствие чего получается про­водимость p-типа. Этот слой в месте кон­такта с германием n-типа образует элект­ронно-дырочный переход (p-n-переход).

Б) При образовании гетероперехода, из-за различия работ выхода электронов из разных полупроводников, происходит перераспределение носителей заряда в приконтактной области и выравнивание уровней Ферми. В результате установления термодинамического равновесия, остальные энергетические уровни изгибаются – возникают диффузионное электрическое поле и контактная разность потенциалов.

В) Гетеропереход - переходный слой с существующим в нем диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками. Отличие гетеропереходов от обычного p-n перехода заключается в том, что в обычных p-n переходах используется один и тот же вид полупроводника.

3) Расскажите о типах гетеропереходов и их основных особенностях (фундаментальных свойствах).

Гетеропереходы делятся:

1) гетеропереход первого типа. В гетеропереходах первого типа валентная зона и зона проводимости узконаправленного полупроводниика «вставлены» в запрещенную зону широкозонного материала;

2) ступенчатый гетеропереход второго типа. В гетеропереходах второго типа разрывы валентной зоны и зоны проводимости на гетерогранице могут быть столь большими, что зона проводимости одного материала будет лежать ниже валютной зон другого материала;

3) разъединенный гетеропереход второго типа;

Фундаментальным свойством гетеропереходов второго типа является пространственное разделение электронов и дырок и их накопление в самосогласованных квантовых ямах на границе перехода. Из-за пространственного разделения носителей может происходить туннельная излучательная рекомбинация через гетерограницу второго типа с энергией излучения меньше ширины запрещенной зоны узкозонного материала.

В гетеропереходах второго типа на границе раздела между двумя различными по хим. составу полупроводниками, в образованных потенциальных ямах, происходит накопление со стороны одного полупроводника – электронов, а со стороны другого полупроводника – дырок. Накопленные противоположные заряды различных зон оказывают влияние друг на друга.

4) Для изготовления какого светодиода необходимо взять полупроводник с большей шириной запрещённой зоны - красного или фиолетового? Фиолетового.

5) Как влияет температура на яркость светодиода? Яркость светодиода с увеличением температуры падает.

6) Что называется внутренним квантовым переходом и почему он не равен внешнему? Внутренний квантовый выход – отношение излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей. Если бы рекомбинация неравновесных электронов и дырок, в активной области происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход был бы равен 100%. Однако значительная часть актов рекомбинации не заканчивается выделением энергии в виде фотонов. Такие переходы электронов между энергетическими уровнями называют безызлучательными. Соотношение между излучательными и безызлучательными переходами зависит от ряда причин, в частности от структуры энергетических зон полупроводника, наличия примесей, которые могут увеличить или уменьшить вероятность излучательных переходов.

7) Объясните каким образом можно по вольт-амперной характеристике светодиода определить постоянную Планка. Сначала на графике ток медленно возрастает, потом, когда напряжение достигнет U₀ сила тока резко возрастает и светодиод начинает излучать свет.