RSS  e-mail  sitemap

Vzdálená internetová laboratoř

logo gymkt

Fyzikální pokusy řízené přes Internet

Gymnázium J. Vrchlického, Klatovy

úvod experimenty o laboratoři kontakt odkazy

Voltampérová charakteristika LED
(přibližné určení Planckovy konstanty)

Teorie

Dále experiment

Elektroluminiscenční dioda (LED)

Elektroluminiscenční diody patří vedle polovodičových laserů mezi základní optoelektronické zdroje světla. Funkce luminiscenční diody (LED = Light Emitting Diode) je založena na elektroluminiscenčním jevu, čímž rozumíme emisi fotonu z oblasti polovodičového P-N přechodu, kterým prochází proud. Přiložením vnějšího napětí na P-N přechod v propustném směru dochází totiž ke vstřikování (injekci) minoritních nosičů proudu do vodivostních oblastí. Část elektronů v oblasti P a část děr v oblasti N zářivě rekombinuje s majoritními nosiči a díky uvolněné energii dochází k emisi světla. Tento jen se též nazývá tzv. injekční elektroluminiscence.

remote-lab

zdroj: http://it.wikipedia.org/wiki/ File:Diodos_LED_foto.png

Pásmo spektra záření diody je závislé na chemickém složení použitého polovodiče. LED jsou vyráběny s pásmy vyzařování od ultrafialových, přes různé barvy viditelného spektra, až po infračervené pásmo. Jelikož při zářivé rekombinaci se elektron vrací z vodivostného pásu do pásu valenčního, je energie vyzařovaných světelných kvant blízká šířce tzv. zakázaného pásu Eg.

Vlastnosti luminiscenčních diod
Volt-ampérová charakteristika

Vlastnosti luminiscenčních diod jako součástek elektrických obvodu popisují jejich voltampérové charakteristiky. U všech luminiscenčních diod mají typicky diodový průběh (viz obr. 1).


V-A charakteristika
Obr. 1 - V-A charakteristiky červené (RED) a žluté (YELLOW) elektroluminiscenčních diod

Voltampérová charakteristika v propustném směru se tedy dá vyjádřit poměrně složitým analytickým vztahem:

IF = I0 ·{ e
(  e.[UF - RS.IF )

n.k.T
 – 1}
 
kde:  IF  [A]  - proud tekoucí P-N přechodem   RS  [Ω]  - sériový odpor diody
I0  [A]  - zbytkový proud   T  [K]  - absolutní teplota
e  [C]  - náboj elektronu   n - viz dále
UF  [V]  - napětí na diodě   k  [J·K-1 - Boltzmannova konstanta; k = 1,38.10-23 J·K-1

Je-li však e.UF ≥ 4 k.T (tj. je-li za pokojové teploty UF ≥ 100 mV) a zároven UF >> IF.RS, zjednoduší se tato rovnice na tvar:

IF = I0 · e
(  e.UF  )

n.k.T
(1)
 

Tvar charakteristiky záleží na geometrii a vlastnostech přechodu, na vlastnostech použitého materiálu, výrobní technologii apod. Všechny tyto faktory se zahrnují do bezrozměrné konstanty n. Převrácená hodnota n definuje konstantu α = 1/n, která charakterizuje mechanismus transportu náboje přechodem (difúze, rekombinace, tunelování).


Sériový statický a dynamický odpor

Stejně jako u každé jiné polovodičové diody lze definovat i tzv. sériový statický odpor (v pracovním bodě UFo, IFo) jako:

Rd =   UFo  (2)

IFo

a sériový dynamický (diferenciální) odpor, který je definován:


Rdi = (  dUFo  ) (3)

dIFo IFo= konst.

Statický odpor bývá řádově 10 - 100 Ω, dynamický odpor je < 1 Ω.


Prahové napětí

Dalším parametrem je prahové napětí U*, to je napětí extrapolované z lineární části V-A charakteristiky (na obr. 1 červeně). Při tomto napětí dochází ke zlomu v linearizovaném průběhu závislosti proudu tekoucího diodou na napětí přiloženém na luminiscencní diodu. Toto prahové napětí je závislé na materiálu, z něhož jsou luminiscencní diody zhotoveny a je blízké difuznímu napětí Ud, tedy i šířce zakázaného pásu Eg/e. Důvodem této skutečnosti je to, že napětí U* poskytuje - zhruba řečeno - nosičům proudu energii nutnou k překonání potenciálové bariéry e.Ud. U diod z GaAs (Eg ≈ 1,4 eV) je prahové napětí U* asi 1,4 V, z GaAsxP1-x (Eg ≈ 1,4 - 2,4 eV dle složení) je U* = (1,4 - 2,3) V, u diod z GaP (Eg ≈ 2,3 eV) je U* = 2,4 V.

Vlnová délka vyzařovaného světla

Podobná souvislost je pak i mezi prahovým napětím a vyzařovanou frekvencí (vlnovou délkou) emitovaného světla. Se zkracující se vlnovou délkou emitovaného světla roste velikost potřebného elektrického proudu a z toho vyplývajícího napětí. Zatímco u klasické (nesvítící) usměrňovací křemíkové diody je toto napětí asi 0,6 V, u zelené LED z GaP 1,7 V a u modré LED ze SiC dokonce již 2,5 V.

   Uvážíme-li, že energie uvolněná při rekombinaci se přemění na energii emitovaného fotonu, můžeme psát:


e.U* = h.f = h·  c  (4)

λ

kde:  e  [C]  - náboj elektronu   λ  [m]  - vlnová délka emitovaného záření
U*  [V]  - prahové napětí   c  [m.s-1 - rychlost světla; c = 3.108 m.s-1
f  [Hz]  - frekvence emitovaného záření   h  [J.s]  - Planckova konstanta; h = 6,625.10–34 J.s

Zpravidla se ze znalosti prahového napětí U* určuje vlnová délka emitovaného záření, která se porovnává s tabulkovými hodnotami. Vztah (4) však lze použít i naopak pro řádový odhad Planckovy konstanty. Ze znalosti prahového napětí a přibližné vlnové délky (viz Tab. 1) lze vyjádřit Planckovu konstantu:

 
Barva λ / nm
 červená   656 - 768 
 žlutá   568 - 585 
 zelená   495 - 535 
 modrá   452 - 485 
Tab. 1 - vlnové délky barev LED

 h =   e.U*.λ   

c

Dále Experiment

  nahoru
Free counters!
© 2011-17 by N.P.C.