Ακτινοβολία Φωτοδιόδων Εκπομπής και άλλων πηγών φωτός. Πείραμα - 3. Ακτινοβολία Φωτοδιόδων Εκπομής και άλλων πηγών φωτός

Transcript

1 Πείραμα - 3 Ακτινοβολία Φωτοδιόδων Εκπομής και άλλων πηγών φωτός 1

2 Ακτινοβολία Φωτοδιόδων Εκπομπής και άλλων πηγών φωτός 1.1 Αρχή της άσκησης Σκοπός αυτής της άσκησης είναι η μέτρηση του φάσματος της ακτινοβολίας Φωτοδιόδων Εκπομπής Φωτός (Light Emitting Diode- LED) και άλλων πηγών φωτός, με την χρήσει φράγματος περίθλασης Βιβλιογραφία: Κεφάλαια: 1. Φώς 2. Στοιχεία της φυσικής στερεάς κατάστασης 7. Φωτοανιχνευτές Επί μέρους σκοποί της άσκησης Η μέτρηση φάσματος χρησιμοποιώντας φράγμα περίθλασης Μέτρηση φάσματος των LED και να βρεθεί η πειραματική τιμή της σταθεράς του Πλανκ Μέτρηση φάσματος από θερμικές πηγές ακτινοβολία από μέλανα σώματα. Σύγκριση φασμάτων ακτινοβολίας από διάφορες πηγές. Η λεπτομερής κατανόηση της συσκευής LED

3 1.2 Περιγραφή της συσκευής μέτρησης Ακτινοβολία Φωτοδιόδων Εκπομπής και άλλων πηγών φωτός Η πειραματική διάταξη μέτρησης φάσματος φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 1 - Σχηματική διάταξη των συσκευών του πειράματος Φασματοσκοπία στο ορατό Δίοδος Εκπομπής Φωτός, (LED, Light Emitting Diode), αποκαλείται ένας ημιαγωγός ο οποίος εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση κατά τη φορά ορθής πόλωσης (forward-biased) LED σε διάφορα χρώματα και μεγέθη 1.3 Θεωρία και Οπτική Μηχανολογία Φασματόμετρο Τα φάσματα εκπομπής/απορρόφησης ενός στοιχείου οφείλονται σε εκπομπή/απορρόφηση ακτινοβολίας από διαφορετικούς τύπους θερμών και ψυχρών φωτεινών πηγών και διακρίνονται στα εξής: 1) Συνεχές φάσμα εκπομπής/απορρόφησης 2) Γραμμικό φάσμα εκπομπής/απορρόφησης 3

4 Στο πείραμα αυτό θα μελετήσουμε το φάσμα της ακτινοβολίας Φωτοδιόδων Εκπομπής Φωτός (Light Emitting Diode- LED) και άλλων πηγών φωτός χρησιμοποιώντας φράγμα περίθλασης. Το φράγμα περίθλασης είναι ένα κομμάτι διαφανούς υλικού, το οποίο έχει χαραχθεί από έναν μεγάλο αριθμό ισοδιάστατων παράλληλων γραμμών. Η απόσταση μεταξύ των γραμμών ονομάζεται σταθερά του φράγματος, G. Το φως που χτυπά το φράγμα περιθλάται από τις παράλληλες γραμμές. Οι περιθλώμενες ακτίνες είναι σε φάση εάν οι ακτίνες έχουν διαφορά οπτικού δρόμου (G sinθ ή στο όπως συμβολίζεται στο σχήμα 2, d sinθ) ίσο με ακέραιο αριθμό μηκών κύματος του φωτός. Σχήμα 2: Πορεία ακτίνων σε περίθλαση πρώτης τάξης από φράγμα. Ο διαχωρισμός των φασματικών γραμμών και ο καθορισμός του μήκους κύματος με το φράγμα περιθλάσεως το οποίο τοποθετείται κάθετα στην πορεία της δέσμης φωτός, φαίνεται στο σχήμα 3. Πολυχρωματική δέσμη φωτός (δίνει την εντύπωση λευκού φωτός) Φράγμα περίθλασης Μονοχρωματική δέσμη π.χ. γαλάζιο Σχήμα 2: Προσδιορισμός του μήκους κύματος λ μιας φασματικής γραμμής Πολυχρωματική δέσμη φωτός (φάσμα μηδενικής τάξης) Το μήκος κύματος δίδεται από τον τύπο = G sin, όπου G η σταθερά του φράγματος και φ η γωνία εκτροπής της φασματικής γραμμής μήκους κύματος λ (στο φάσμα πρώτης τάξης). Μέτρηση Φάσματος φωτός Συνδέστε τη διεπαφή του Science Workshop με τον υπολογιστή, ανοίξτε τη διεπαφή. Έναρξη του προγράμματος Science Workshop. Συνδέστε το καλώδιο του υψηλής ευαισθησίας αισθητήρα φωτός με το αναλογικό κανάλι Α. Συνδέστε το καλώδιο περιστροφικού αισθητήρα κινήσεων με τα ψηφιακά κανάλια 1 και 2. 4

5 Σχήμα 4: Πειραματική διάταξη φασματοσκοπίου Το φασματόμετρο επιτρέπει την παρατήρηση και μέτρηση των φασματικών γραμμών που παράγονται από πηγή φωτός. Οι σχισμές και ο φακός ευθυγράμμισης μπορούν να συνδυαστούν ώστε να παράγουν μια στενή δέσμη παράλληλων ακτίνων φωτός. Στην πορεία της δέσμης τοποθετείται φράγμα το οποίο προκαλεί απόκλιση των φασματικών γραμμών των χρωμάτων σε διαφορετικές γωνιές. Μετά το φράγμα τοποθετείται φακός ο οποίος εστιάζει αυτές τις παράλληλες δέσμες (Σχήμα 5). Η ανάλυση του φράγματος σε συνδυασμό με την στενή σχισμή στο δίσκο διαφράγματος (Aperture Disk) επιτρέπουν την ανίχνευση από τον αισθητήρα φωτός μιας σχεδόν μονοχρωματικής (quasimonochromatic) ακτίνας. Ο αισθητήρας φωτός καταγράφει την ένταση του φωτός καθώς ο αισθητήρας κίνησης μετρά τη γωνιά όπου σκεδάζεται το φως. Σχήμα 5: Πορεία ακτίνων στο φασματοσκόπιο Ανάψετε την πηγή και εκτελέστε τις πιο κάτω ρυθμίσεις. Η εστιακή απόσταση του φακού ευθυγράμμισης είναι περίπου 10 cm, γι αυτό ο φακός τοποθετείται περίπου 10 cm από τη σχισμή ώστε να δημιουργήσει μια παράλληλη δέσμη. Τοποθετείστε την πηγή φωτός, έτσι ώστε το φως να περνά μέσα από μια σχισμή, και ακολούθως από το φακό ευθυγράμμισης. Περιστρέψετε το βραχίονα του αισθητήρα φωτός, έτσι ώστε το φως να κτυπά σε μια μακρινή κάθετη επιφάνεια. Ρυθμίστε την απόσταση σχισμής φακού, έτσι ώστε να δημιουργήστε μια παραλληλισμένη δέσμη φωτός. Η δέσμη φωτός πρέπει να έχει την ίδια διάμετρο σε όλη τη διαδρομή. Στη βαθμονομημένη τράπεζα υπάρχει σημειωμένη η θέση όπου θα τοποθετηθεί περίπου ο φακός εστίασης. Ο φακός εστίασης έχει δύο μικρούς μαγνήτες στη βάση του, για να μένει σταθερός πάνω στο βραχίονα του αισθητήρα φωτός. Τοποθετείστε το φακό εστίασης (f=10cm) μετά το φράγμα, σε απόσταση περίπου 10 cm από τον αισθητήρα φωτός. Ο αισθητήρας φωτός μετρά τη φωτεινή ένταση των μηκών κύματος του περιθλώμενου φωτός. Ο περιστροφικός αισθητήρας κινήσεων μετρά τη γωνία θ στην οποία περιθλάται κάθε φασματική γραμμή. Το πρόγραμμα Science Workshop καταγράφει την ένταση του φωτός και τη γωνία, από τον αισθητήρα φωτός και γωνίας, αντίστοιχα. Χρησιμοποιώντας τα ενσωματωμένα εργαλεία ανάλυσης στοιχείων του προγράμματος μπορείτε να καθορίσετε το μήκος κύματος, λ του κάθε χρώματος. 5

6 Οι ρυθμίσεις των αισθητήρων είναι οι εξής: 1) Ο περιστροφικός αισθητήρας κινήσεων είναι συνδεδεμένος με τα ψηφιακά κανάλια 1 και 2 και ο αισθητήρας φωτός είναι συνδεδεμένος με το αναλογικό κανάλι Α. 2) Ο περιστροφικός αισθητήρας κινήσεων είναι ρυθμισμένος στα 1440 τμήματα ανά περιστροφή με ρυθμό λήψης μετρήσεων 20 Hz. Δίοδος Εκπομπής Φωτός, (LED, Light Emitting Diode), αποκαλείται ένας ημιαγωγός ο οποίος εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση κατά τη φορά ορθής πόλωσης (forward- biased) LED σε διάφορα χρώματα και μεγέθη Το χρώμα του φωτός που εκπέμπεται εξαρτάται από την χημική σύσταση του ημιαγώγιμου υλικού που χρησιμοποιείται, και μπορεί να είναι υπεριώδες, ορατό ή υπέρυθρο. Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται, και, κατά συνέπεια, το χρώμα του, εξαρτάται από το χάσμα ενέργειας των υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την δημιουργία του περάσματος p-n, όπου: p = Υλικό νοθευμένο με αποδέκτες. n = Υλικό νοθευμένο με δότες. Η βασική αρχή των LED είναι μια επαφή p-n η οποία πολώνεται ορθά για να εγχέει ηλεκτρόνια και οπές μέσα στις p- και n- πλευρές αντίστοιχα. Το εγχεόμενο φορτίο μειονότητας επανασυνδέεται με το φορτίο πλειονότητας στην περιοχή απογύμνωσης ή στην ουδέτερη περιοχή. Σε ημιαγωγούς αμέσου διάκενου η επανασύνδεση οδηγεί σε εκπομπή φωτός αφού η ακτινοβόλα επανασύνδεσης κυριαρχεί σε υλικά υψηλής ποιότητας. Σε υλικά έμμεσου χάσματος, η απόδοση εκπομπής φωτός είναι αρκετά φτωχή και οι περισσότερες από τις διαδρομές επανασύνδεσης είναι μη ακτινοβόλες με παραγωγή θερμότητας μάλλον παρά φωτός. Μια δίοδος εκπομπής φωτός (light emitting diode,led) είναι στην ουσία μια ένωση pn που έχει κατασκευαστεί από ένα ημιαγωγό άμεσου ενεργειακού χάσματος, όπως για παράδειγμα το GaAs, και στην οποία η επανασύνδεση των ζευγών ηλεκτρονίων οπών έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή φωτονίων. Η ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτονίων, hv, ισούται κατά προσέγγιση με το ενεργειακό χάσμα Eg E E h g ί Η δομή ενός LED πρέπει να είναι τέτοια ώστε τα εκπεμπόμενα φωτόνια να μπορούν να απομακρύνονται από την διάταξη χωρίς να επαναπορροφώνται από το ημιαγώγιμο υλικό. Αυτό σημαίνει ότι η p-περιοχή πρέπει να είναι επαρκώς ρηχή, ή διαφορετικά πρέπει να χρησιμοποιήσουμε διατάξεις ετεροδομών. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολλά ημιαγώγιμα υλικά άμεσου ενεργειακού διακένου, τα οποία μπορούν εύκολα να νοθευτούν και να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εμπορικών LED που εκπέμπουν ακτινοβολία στην ερυθρή και την υπέρυθρη περιοχή μηκών κύματος του φάσματος. Μια σημαντική κατηγορία εμπορικών ημιαγώγιμων υλικών, που εκπέμπουν ακτινοβολία στην ορατή περιοχή είναι τα τριαδικά κράματα III-V. 6

7 Η εξωτερική απόδοση ηεξ ενός LED είναι ένα μέτρο της απόδοσης της μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε εκπεμπόμενη εξωτερικά φωτεινή ενέργεια. Στο μέγεθος αυτό συνυπολογίζεται η εσωτερική απόδοση της ακτινοβολούσας διαδικασίας επανασύνδεσης και η επακόλουθη απόδοση της εξόδου των φωτονίων από την διάταξη. Η ηλεκτρική ενέργεια στην είσοδο ενός LED ισούται απλά με το γινόμενο του ρεύματος επί την ηλεκτρική τάση της διόδου (I V). Αν η φωτεινή ισχύς που εκπέμπεται από την διάταξη είναι Pout,τότε ηεξ = Pεξ(οπτική) 100% / I V Για τους ημιαγωγούς εμμέσου ενεργειακού διακένου, η τιμή της απόδοσης είναι μικρότερη από 1%, ενώ για τους ημιαγωγούς αμέσου ενεργειακού διακένου με την ορθή δομή διάταξης, η ηεξ μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη Η δίοδος εκπομπής φωτός (Light Emiting Diode) είναι µια δίοδος επαφής που όταν διαρρέεται από ρεύμα ορθής πόλωσης εκπέμπει φως. Το φως αυτό προέρχεται από την επανασύνδεση των φορέων που διαχέονται από τον ένα ημιαγωγό στον άλλο. Σε ορθή πόλωση της διόδου, οπές διαχέονται από τον p ημιαγωγό στον n όπως και ηλεκτρόνια από τον n ημιαγωγό στον p. Εκεί, επειδή η συγκέντρωση των αντίθετων φορέων είναι αρκετά αυξημένη, αυξάνει επίσης η πιθανότητα επανασύνδεσης µε αποτέλεσμα ένας μεγάλος αριθμός φορέων να επανασυνδέονται και η ενέργειά τους να αποδίδεται στο περιβάλλον µε τη µορφή φωτός. Η ενέργεια αυτή πρέπει να είναι θεωρητικά ίση µε το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. Πρακτικά υπάρχει κάποια διασπορά επειδή και στις δυο πλευρές της επαφής ηλεκτρόνια αποδιεγείρονται και πέφτουν από µια περιοχή ενεργειών γύρω από τη στάθμη Ε C ή τη στάθμη δότη προς µια περιοχή ενεργειών γύρω από τη στάθμη ΕV ή τη στάθμη αποδέκτη. Για οποιοδήποτε ημιαγωγό που θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για κατασκευή LED θα πρέπει 0,4µm < λ G < 0,7µm προκειμένου το φως που θα προκύψει να είναι ορατό. Συνεπώς, τα ενεργειακά χάσματα βρίσκονται στην περιοχή 1,77eV < E G < 3,10eV επειδή ως γνωστό λ G = 1,24/E G. Τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή LED όπως προκύπτει από την πιο πάνω προδιαγραφή, είναι πολύ περιορισμένα και φυσικά αποκλείονται το Si και Ge. Το εκπεμπόμενο φως είναι συνεπώς, περίπου μονοχρωματικό, ενώ το χρώμα του δηλαδή η εκπεμπόμενη ακτινοβολία εξαρτάται από το χρησιμοποιούμενο υλικό. Έτσι το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) εκπέμπει ακτινοβολία με μήκος κύματος περίπου 885nm στο υπέρυθρο. Το φωσφορούχο γάλλιο (GaP) εκπέμπει στην ορατή περιοχή του φάσματος σε μήκος κύματος περίπου 630nm (πορτοκαλί). Ανάμιξη των δυο παραπάνω ημιαγωγών χρησιμοποιείται για εκπομπή από 550nm (κιτρινοπράσινο) μέχρι 650nm (πορτοκαλί) ανάλογα με την περιεκτικότητα του μίγματος σε GaP. Στο σχ φαίνεται το μήκος κύματος εκπομπής μερικών ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διόδων εκπομπής φωτός. Υλικά που χρησιμοποιούνται στην πράξη για την κατασκευή LED είναι: GaAs 0.6 P 0.4 Εμφανίστηκαν στην αρχή της δεκαετίας του '70 ως τα πρώτα LED του εμπορίου που χρησιμοποιήθηκαν για τη φωτεινή απεικόνιση σε ρολόγια και υπολογιστές τσέπης. 7

8 1.4 Εκτέλεση του πειράματος Μέρος Α: Φάσμα από Δίοδο Εκπομπής Φωτός - LED Spectrum Σε αυτό το πείραμα θα εξετάσουμε την ακτινοβολία φωτός εκπέμπεται από διαφορετικούς διόδους (LED). 1. Συλλογή στοιχείων: Για κάθε LED, εσείς θα αυξηθεί αργά την τάση αυτή. Για κάθε βήμα στην τάση, θα καταγράφει επίσης και το ρεύμα των LED. Συνεχίζετε την εγγραφή τάσεις και ρεύματα μέχρι η LED να ανάψει. Μην βάζετε υπερβολική τάση, καθώς ενδέχεται να προκαλέσετε ζημιά στη φωτοδίοδο LED. Ο στόχος αυτής της άσκησης είναι να προσδιοριστεί σε ποια τάση της διόδου ξεκινά να άγη. Το φορτίο ενός ηλεκτρονίου, e, πολλαπλασιαζόμενο μη την αρχική τάση πρέπει να είναι ίσο με την ενέργεια των φωτονίων που εκπέμπονται. 2. Όταν η LED παράγει φως, καταγράφεται το φάσμα με το φασματόμετρο. 3. Ποιοτική αξιολόγηση: Περιγράφουν (με λόγια) τη φύση του φάσματος. (π.χ. είναι συνεχής ή γραμμική εκπομπή). 4. Για κάθε LED, καθορίζουν το μήκος κύματος που εκπέμπει. Αυτό είναι το χαρακτηριστικό μήκος κύματος του LED. Εκτίμηση το πλήρως πλάτος στο μισό μέγιστο (FWHM Full Width Half Maximum) της κορυφής του σε κλίμακα nm.. Αυτό είναι το εύρος του μήκος κύματος για το οποίο στο σήμα είναι1/2 τη μέγιστη τιμή στα αριστερά και δεξιά της κορυφής. 5. Εάν εξετάσετε την γραφική παράσταση του ρεύματος έναντι της τάσης για κάθε LED, θα είστε σε θέση να εκτιμήσει την τάση (V F) κατά την οποία ξεκινά το ρεύμα. Αυτή η έναρξης τάσης πολλαπλασιαζόμενη με το φορτίο του ηλεκτρονίου θα πρέπει να ισούται με την ενέργεια των φωτονίων που εκπέμπονται. Η εκπομπή από LED εμφανίζεται όταν η τάση που εφαρμόζεται φτάσει σε μια τιμή VF, ( the forward turn-on voltage ). Το όριο αυτό θεωρείται κοντά Vg όπου Eg evg. Γνωρίζομαι ότι η ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτονίου είναι hc, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός, και h είναι η σταθερά του Πλανκ. Αυτή ενέργεια είναι περίπου ίση με evf ή evg, τότε είναι δυνατόν να προσδιοριστεί το h/e από απλά μετρήσεις του VF. 6. Να κάνετε ένα γράφημα της τάσης VF έναντι 1/λ για κάθε LED. To γράφημα πρέπει να είναι γραμμικό με μια κλίση της hc/e. Μια πειραματική τιμή της σταθεράς του Πλανκ στη συνέχεια μπορεί να ορίζεται χρησιμοποιώντας την γνωστών τιμών της ταχύτητας του φωτός c και το φορτίο του, ένα ηλεκτρόνιο, e και πληροφορικής h. Συμφωνεί με την γνωστή τιμή του h= (29) Js. Μέρος Β: πηγή φωτός πυράκτωσης Η πηγή φωτός θα είναι ένα νήμα βολφραμίου. 1. Συλλογή δεδομένα: Καταγραφή και αποθηκεύστε τα φάσματα για την λάμπα, όταν λειτουργεί με την «κανονική» τη φωτεινότητα. 2. Ποιοτική αξιολόγηση: Περιγράφουν (με λόγια) τη φύση του φάσματος. (π.χ. είναι συνεχόμενη ή διακριτή). Να παρατηρήσετε οποιαδήποτε ασυνήθιστη χαρακτηριστικά; Πιστεύετε ότι είναι αντιπρόσωπος της ακτινοβολίας τέλεια «μαύρο Σώμα»; Γιατί ή γιατί όχι. 8

9 3. Από το φάσμα να, υπολογίσετε τη θερμοκρασία του νήματος. Αυτό μπορεί να γίνει με τη μοντελοποίηση του λαμπτήρα ως ένα μέλαν σώμα. Στην περίπτωση αυτή, ο νόμος μετατόπισης του Wien είναι kt hc max. Είναι αποτέλεσμα σας επέλεξε να τι αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως η θερμοκρασία του μια λάμπα; 4. Μείωση της τάσης η οποία εφαρμόζεται στον λαμπτήρα και επαναλάβετε τμήμα 3. Ίσως χρειαστεί να αυξήσετε το χρόνο συλλογής, δεδομένου ότι η ένταση θα είναι λιγότερη. Πως αλλάζει το λmax; Είναι συνεπείς με τη μεταβολή της θερμοκρασίας η παρατήρησή σας; Μέρος Γ: Λάμπα Φθορισμού Σε αυτό το πείραμα, θα εξετάσουμε την ακτινοβολία που εκπέμπεται από λαμπα φθορισμού. 1. Συλλογή δεδομένα: Συλλογή και αποθήκευση του φάσματος από λαμπα φθορισμού. 2. Ποια είναι τα (τρία) κύρια μήκη κύματος που υπάρχουν στο φάσμα; Έχουν όλα την ίδια ένταση; Τι χρώματα αντιστοιχούν αυτά τα μήκη κύματος; Γιατί πιστεύετε ότι ο κατασκευαστής της λάμπας φθορισμού έχει σχεδιαστεί το φως για να δώσει το φάσμα που μετράτε. Μέρος Δ: Γραμμικό φάσματα των αερίων 1. Συλλογή δεδομένων: Χρησιμοποιώντας το φασματόμετρο να μετρήσετε και αποθηκεύστε το φάσμα της λάμπας υδραργύρου. 2. Ποιοτική αξιολόγηση: Περιγράφουν (με λόγια) τη φύση του φάσματος. (π.χ. είναι συνεχόμενη ή διακριτή). Παρατηρήσετε οποιαδήποτε ακτινοβολία κάτω από περίπου 300 nm από τις σωλήνες εκκένωσης; Αν όχι, γιατί; 3. Να συγκρίνετε το φάσμα με «γνωστά» φάσματος από μια φυσική αναφοράς. Να σημειώσετε στην γραφικής παράσταση το αποδεκτό μήκος κύματος και το καταγεγραμμένο. 9