14 Светодиод (Лабораторный практикум)

Цель работы: исследование параметров и характеристик полупроводни­кового светодиода, выполненного на основе элект­ронно-дырочного перехода.

Описание лабораторной установки

Установка для исследования светодиода (рис.1) состоит из следующих основных частей: собственно светодиода (СД), смонтированного на поворотной платформе для измерения диаграммы направленности излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях; блока питания, включающего вольтметр для измерения напряжения питания светодиода Uп и миллиамперметр для измерения тока инжекции Iи; фотоприемной головки (ФП), со­держащей фотодиод и микроамперметр для измерения фототока Iф.

Рис.1 Установка для исследования светодиода.

При подаче на светодиод прямого напряжения Uп в область p-n перехода инжектируются неравновесные избыточные электроны и дырки. Их концентрация тем выше, чем больший прямой ток Iи протекает через переход. В процессе инжекции носителей в обедненный слой в нем происходит рекомбинация электро­нов и дырок, сопровождающаяся излучением фотонов с рабочей длиной волны, соот­ветствующей ΔEз - ширине запрещенной зоны полупроводника:

λраб = C · h / ΔEз, где h – постоянная Планка, С-скорость света.

В светодиодах используются полупроводники, в которых вероятность межзонной излучательной рекомбинации существенно выше вероятности безизлучательной рекомбинации. В качестве основных полупроводниковых материалов для светодиодов применяются арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, карбид кремния SiC, трехкомпонентный твердый раствор фосфида и арсенида галлия GaAsP, и т.д. Ширина запрещенной зоны полупроводников, необходимая для генерации фотонов видимого оптического диапазона, должна быть в пределах ΔEз = 1,8 – 3,2 эВ.

Излучение из светодиода возникает когда через него протекает прямой ток, превышающий определенное значе­ние (называемое пороговым током Iпор). В этом случае достигается такой уровень инжекции носителей, при котором компенсируются суммарные оптические потери внутри кристалла. Величина порогового тока является важным параметром светодиода и определяет его КПД. Чем меньше потери в кристалле, тем меньше пороговый ток.

Регистрация излучения производится с помощью фотодиода, пре­образующего электромагнитное излучение светодиода в фототок Iф. Спектр поглощения фотодиода согласован со спектром излучения светодиода. В силу малой мощности излучения светодиода можно считать, что фототок линейно связан с мощностью излучения зависимостью Iф = Кф · Ризл, где К_ф мкА/мВт – токовая чувствительность фотодиода. Следовательно, измеряя фототок, можно опреде­лить мощность излучения светодиода:

Pизл = Iф / К_ф.

Аналогично можно измерить силу света светодиода Iv = Iф / Кc,

где Кc (мкА / кд) – световая чувствительность фотодиода.

Порядок выполнения работы

1. Исследование энергетических характеристик светодиода.

Ручку напряжения питания светодиода поверните против часовой стрелки до упора. Поворотную платформу СД установите в положение, при котором углы вертикальной и горизонтальной ориентации излучения светодиода соответствуют 90^о (излучение светодиода направлено на фотоприемник). Установите измерительную головку с фотодиодом ФД на минимальное расстояние от светодиода. Тумблер блока питания светодиода переведите в положение «Вкл».

Изменяя напряжение питания светодиода Uп от минимального до максимального значения через 0,1В фиксировать значения тока инжекции Iи и фототока фотоприемной головки Iф по показаниям стрелочных приборов.

Данные измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

По формуле Рп = Uп · Iи определите мощность, потребляемую светодиодом от блока питания.

По формуле Ризл =Iф/Кф определите мощность излучения светодиода,

где Кф= 125 мкА/мВт.

По формуле Iv = Iф/Кc определите силу света светодиода,

где Кc = 15 мкА / кд.

Подсчитайте для измеренных значений Uп КПД светодиода:

КПД= (Ризл / Pп ) · 100%

Данные расчетов также занесите в таблицу 1.

По результатам расчетов постройте следующие зависимости:

- вольт-амперную характеристику светодиода Iи = f(Uп);

- световую характеристику светодиода Iv = f(Iи);

- зависимость мощности излучения от мощности потребления Ризл = f(Рп);

- зависимость кпд светодиода от мощности потребления КПД = f(Pп).

По графику Iv = f(Iи) определите значение порогового тока светодиода Iпор, а по вольт-амперной характеристике светодиода – соответствующее этому пороговому току значение порогового напряжения Uпор.

1. Исследование диаграммы направленности излучения светодиода.

ветодиода ка питания ПКГ ности ния светодиода в виде иода еделах 00000000000000000000000000000000000000000000000000000

Для снятия диаграммы направленности светодиода установите максималь­ное напряжения питания Uп. Установите измерительную головку с фотодиодом на расстоянии около 15см от светодиода. Совместите направление макси­мума излучения светодиода с осью фотодиода, добившись максимума показаний фототока Iф.

Поворачивая СД в горизонтальной плоскос­ти сначала в одну сторону от центра луча, а затем в другую сто­рону, фиксируйте его положения Өг через один градус и отме­чайте соответствующие им значения Iфг.

Выполните анало­гичные измерения Өв и Iфв в вертикальной плоскости.

Данные измерений занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

По полученным результатам постройте диаграммы направленности излучения светодиода в виде зависимостей Ризл г = f(Өг) и Ризл в = f(Өв). Определите по полученным кривым ширину диаграммы направленности светодиода в вертикальной и горизонтальной плоскостях, отсчитывая их по уровню 0,5 Ризл максимум.

По окончании эксперимента отключите питание светодиода, переведя тумблер блока питания в положение «Выкл».

ОТЧЕТ

по лабораторной работе студент:

группа:

дата:

тема: ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОДИОДА

1. Схема эксперимента.

1. Энергетические характеристики светодиода.

Пороговые ток и напряжение светодиода: Iпор = Uпор =

1. Диаграмма направленности светодиода.

Ширина диаграммы направленности светодиода по уровню 0,5 Ризл макс:

по вертикали- по горизонтали-