Лабораторная работа №3. «Изучение квантовых и волновых свойств излучения светодиода». Цель работы: исследовать волновые и квантовые свойства излучения светодиода. Задачи работы: измерение длины световой волны излучения светодиода с помощью дифракционной решётки. определение постоянной Планка с помощью светодиода; Оборудование: осветитель светодиодный, линза собирающая ЛС-2, дифракционная решётка с периодом 0,002 мм, прибор для измерения длины световой волны из набора «ЕГЭ – лаборатория по оптике и квантовой физике», цифровой вольтметр постоянного напряжения, цифровой миллиамперметр постоянного тока, переменный резистор 10 Ом, соединительные провода из набора «ЕГЭ – лаборатория по электродинамике», ключ, источник постоянного тока. Теория и метод выполнения работы: Работа важна тем, что знакомит вас с экспериментальным методом определения одной из фундаментальных физических констант - постоянной Планка. Эта работа развивает ваш политехнический кругозор, поскольку знакомит вас с физическими основами работы широко внедряемого в настоящее время в различных отраслях техники современного источника света — светодиода. Устройство светодиода и его обозначение на схемах электрической цепи, представлены на рис. 1 и рис. 2. Рис.1 Рис.2 В основе принципа действия светодиода положено преобразование электроэнергии в излучение, спектр которого может лежать в видимой или инфракрасной области спектра. Светодиодная структура представляет собой электронно-дырочный переход, поэтому механизмы прохождения тока через полупроводниковый диод и светодиод одинаковы. Материалы электронно-дырочного перехода светодиодной структуры подбираются таким образом, что свободные электроны в n-области (эмиттере) имеют меньшую энергию, чем в p-области (базе). При отсутствии внешнего электрического поля диффузии основных носителей заряда через p-n-переход (электронов из n- в р- область и дырок в противоположном направлении) препятствует внутреннее электрическое поле, называемое контактным. Напряженность этого поля Ек, толщина p-n-перехода d и контактная разность потенциалов U k связаны соотношением: E k = U k /d. Из-за наличия контактного поля для перевода электрона из n- в р- область и дырки в противоположном направлении требуется совершить работу, равную произведению заряда электрона на контактную разность потенциалов, т. е. преодолеть потенциальный барьер eU k (см. рис.3 а). Когда диод работает в пропускном направлении, напряженность внешнего электрического поля Е противоположна напряженности контактного поля Е к . Поэтому потенциальный барьер на р-n-переходе уменьшается на величину eU (где U — внешняя разность потенциалов), становясь равным eU k -eU (см. рис.3 б), и часть основных носителей заряда получает возможность преодолевать р-n-переход. При этом происходит инжекция (впрыскивание) электронов и дырок соответственно в те области р и n, где эти носители не являются основными. Когда внешнее напряжение U становится по значению близким к U k , скачок потенциала на p-n переходе eU k - eU и его толщина d стремятся к нулю. Тогда электроны и дырки беспрепятственно устремляются навстречу друг другу и сила тока резко возрастает. Она ограничена лишь электрическим сопротивлением кристалла, каким он обладает без p-n перехода. Контактную разность потенциалов U k легко определить, проведя к вольтамперной характеристике диода касательную до пересечения ее с осью абсцисс (см. рис. 4). рис.3 рис.4 При прямом токе через р-n переход электроны, попав в р- область, и дырки, попав в n-область, рекомбинируют: электроны становятся связанными, а дырки исчезают. Обычно энергия, выделяемая при рекомбинации, передается кристаллической решетке, но в некоторых полупроводниках (CaAs, СаР, InAs, InSb, рекомбинации сопровождается излучением квантов энергии SiC, hv. ZnS) процесс Иначе говоря, прохождение прямого тока через p-n-переход в ряде случаев сопровождается свечением области р-n перехода. На основе рекомбинационного излучения и работают светодиоды, иногда называемые инжекционными, или люминесцентными диодами. Последнее название обусловлено тем, что при работе светодиода происходит электролюминесценция непосредственное превращение энергии электрического тока в световую энергию. В зависимости от кристалла и вида вводимых примесей свечение может происходить в инфракрасной области спектра (арсенид галлия) или в видимой области спектра (фосфид галлия - красный, зеленый или желтый свет; карбид кремния - желто-зеленый или голубой свет). В светодиоде энергия источника электрического тока, затраченная на устранение потенциального барьера eU k , для каждого носителя, превращается в световую энергию. Поэтому можно записать: eU k = hv, где v - частота излучения светодиода, связана с длиной волны ν=с/λ, где с – скорость света (3∙108 м/с). Длину волны можно измерить при помощи дифракционной решётке с известным периодом (см. рис.5): d sin k . рис.5 Т.к. sin вид d a a b2 2 a a 2 b2 . Окончательно формула дифракционной решётки принимает k . Расчётная формула для определения длины волны лазерного излучения при помощи дифракционной решётки имеет вид d b k 1 a 2 . Таким образом, измерив длину излучения светодиода при помощи дифракционной решётки и определив контактную разность потенциалов по его вольтамперной характеристике, можно найти постоянную Планка: h e Uk c e Uk d b c k 1 a 2 Ход работы: 1. Собрать экспериментальную установку по схеме: 2. Изменяя положение ползунка потенциометра, снять показания цифрового миллиамперметра и цифрового вольтметра, с шагом 0,1 В. U В I mA U В I mA U В I mA U В I mA 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,1 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3. По полученным экспериментальным значениям построить вольтамперную характеристику светодиода I=f(U) и по ней определить контактную разность потенциалов U k , проведя к вольтамперной характеристике светодиода касательную до пересечения ее с осью абсцисс (осью напряжений). 4. Используя дифракционную решётку с заданным периодом d, определить расстояние от дифракционной решётки до экрана b и расстояние a – расстояние от центрального максимума до первого k=1. Постоянная (период) дифракционной решётки d м 2∙10-6 Дифракционный максимум k - 1 Расстояние от дифракционной решётки до экрана b см Расстояние от центрального максимума до первого a см 5. Значения контактной разности потенциалов U k , периода дифракционной решётки d, расстояния от дифракционной решётки до экрана b, расстояния a – расстояние от центрального максимума до первого k=1, скорости света c=3∙108 м/с, величины элементарного заряда e=1,6∙10-19 Кл подставить в формулу для расчёта постоянной Планка и определить её значение hэксп e Uk d b c k 1 a 2 . 6. Относительную погрешность рассчитать по формуле h h'эксп hтабл . Табличное hтабл значение постоянной Планка принять за h т а б л =6,63 10 - 3 4 Дж с. 7. Абсолютная погрешность рассчитывается по формуле h hэксп h . 8. Окончательный результат представить в виде h=(hэксп±Δh)∙10-34 Дж с. 9. Указать интервал полученных значений в сравнении с табличным значением постоянной Планка h т а б л =6,63 10 - 3 4 Дж с. 10. Относительную погрешность выразить в процентах h 11. Сформулировать вывод. h'эксп hтабл hтабл 100% .