Τα λαμπάκια LED είναι δίοδοι εκπομπής φωτός και ο τρόπος με τον οποίο λειτουργούν είναι αντίστροφος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Στα απλά έγχρωμα φωτάκια LED το φως τους είναι μονοχρωματικό και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του ημιαγώγιμου υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο. Στο πείραμα αυτό θα υπολογίσουμε το μήκος κύματος του παραγόμενου φωτός από τη μελέτη του κυκλώματος που χρησιμοποιείται για να φωτοβολήσει. Το πείραμα είναι κομμένο και ραμμένο στα ύλης της Β γενικής αφού συνδυάζει τη μελέτη κυκλώματος συνεχούς με την κβαντική φύση του φωτός.
Θεωρητικό Μέρος
Τα LED αποτελούνται από δύο ημιαγώγιμα υλικά από τα οποία το ένα είναι τύπου p και το άλλο τύπου n. Αν εφαρμοστεί στο σύστημα ορθή τάση τα ηλεκτρόνια του n, συναντούνται με τις οπές του p και συνδέονται. Η ελάχιστη τάση που απαιτείται για να φωτοβολήσει το LED ισούται με το ενεργειακό κατώφλι που χρειάζεται να υπερπηδήσουν τα ηλεκτρόνια. Μετά τη μετάπτωση των ηλεκτρονίων στις οπές η επιπλέον ενέργεια εκπέμπεται με τη μορφή φωτονίων (Δες σχήμα) .
Το φαινόμενο είναι κατά μια έννοια το αντίστροφο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και αποτελεί ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο αλληλεπίδρασης ύλης και φωτός.
Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία είναι μονοχρωματική και το μήκος κύματος της εξαρτάται από τη ενεργειακή διαφορά της ζώνης αγωγιμότητας στο τμήμα n με τη ζώνη σθένους του τμήματος p. Όταν αυξάνουμε την εφαρμοζόμενη τάση, τότε το πλήθος των φορέων του ηλεκτρικού ρεύματος αυξάνεται άρα αυξάνεται το πλήθος των παραγόμενων φωτονίων, κατά συνέπεια μεγαλώνει η φωτοβολία του λαμπτήρα. (Δες σχήμα)
Η χαρακτηριστική καμπύλη ενός LED δείχνει ότι υπάρχει μια γραμμική σχέση ανάμεσα στην τάση τροφοδοσίας και την ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα, εκτός από τις πολύ χαμηλές τιμές της τάσης για τις οποίες η σχέση είναι μη γραμμική.
Η τάση ενεργοποίησης, είναι η τάση που βρίσκεται αν προεκτείνουμε το ευθύγραμμο τμήμα της χαρακτηριστικής καμπύλης, μέχρι να τμήσει τον άξονα των τάσεων, όπως φαίνεται στο σχήμα.
Για την τιμή της τάσης αυτής, η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο, είναι ίση με εκείνη που απαιτείται για την παραγωγή ενός φωτονίου. Έτσι ισχύει
όπου h η σταθερά του Πλανκ, e το απόλυτο του φορτίου του ηλεκτρονίου και f η συχνότητα του παραγόμενου φωτονίου. Αντικαθιστώντας με τη θεμελιώδη εξίσωση της κυματικής μπορούμε να φτάσουμε στο μήκος κύματος :
Στο προτεινόμενο πείραμα θα υπολογίσουμε την τιμή του μήκους κύματος βρίσκοντας από την χαρακτηριστική καμπύλη του LED την τιμή της V0.
Πειραματικό Μέρος
Στο πείραμα χρησιμοποιούνται τα παρακάτω υλικά:
- LED διαφόρων χρωμάτων (όχι λευκού)
- Τροφοδοτικό
- Καλώδια σύνδεσης
- Δύο πολύμετρα
- Χαρτί μιλιμετρέ
- Μολύβι , χάρακας
- Κομπιουτεράκι
Α. Συναρμολόγηση κυκλώματος
Προσοχή Tα LED πρέπει να συνδεθούν με συγκεκριμένη πολικότητα για να μπορούν να διαρρέονται από ρεύμα. Αν τα συνδέσουμε με την αντίθετη πολικότητα τότε δεν διαρρέονται από ρεύμα και σε τάσεις μεγαλύτερες από 3V κινδυνεύουν να καταστραφούν.
Ρυθμίζουμε τα πολύμετρα ώστε το ένα να μετράει την τάση στα άκρα του LED και το άλλο την ένταση του ρεύματος που το διαρρέει όπως φαίνεται στη φωτογραφία.
Αυξάνουμε σταδιακά την τάση της τροφοδοσίας και παρατηρούμε ότι αρχικά το κύκλωμα δε διαρρέεται από ρεύμα, αλλά από κάποια τιμή της τάσης και πάνω (περίπου 1,5 -3 V) αρχίζει να διαρρέεται από ρεύμα και το λαμπάκι ανάβει.
Παίρνουμε τιμές για την ένταση του ρεύματος και συμπληρώνουμε τον πίνακα. Προσέξτε η ένταση του ρεύματος να μην ξεπερνά 40-50mA
| Tάση(V) | Ένταση(A) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Β. Υπολογισμός του μήκους κύματος του LED
Στη συνέχεια σχεδιάζουμε σε χιλιοστομετρικό χαρτί τη χαρακτηριστική καμπύλη (V-I) του LED . Χαράζουμε προσεκτικά την καλύτερη ευθεία που περνά από τα πειραματικά σημεία, στο γραμμικό τμήμα της καμπύλης, και από κει υπολογίζουμε την τιμή του V0 στο σημείο που τέμνει τον άξονα των τάσεων. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση 1, μπορούμε να υπολογίσουμε το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που παράγεται.
Μπορείτε να βρείτε ενδεικτικές τιμές και γραφικές παραστάσεις από τις μετρήσεις ενός LED μπλε χρώματος στο παρακάτω σύνδεσμο. H τιμή του μήκους κύματος της ακτινοβολίας που υπολογίσαμε είναι πολύ κοντά στις εκπεμπόμενες τιμές (430-460nm), ανάλογα με την κατασκευή.
ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ
- Επειδή όλες οι μετρήσεις περιορίζονται σε μικρό εύρος τάσης 1,5-2V, μια καλή ιδέα είναι να συνδέσουμε σε σειρά με το LED μια αντίσταση από 100 – 500Ω, ώστε να αυξήσουμε το εύρος της τάσης του τροφοδοτικού.
- Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και LED υπέρυθρης ακτινοβολίας, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στα τηλεκοντρόλ, να υπολογίσουμε το μήκος κύματος της αόρατης ακτινοβολίας και να δείξουμε ότι έχει μήκος κύματος μεγαλύτερο από εκείνο της ερυθρής.
- Το πείραμα μπορεί να εκτελεστεί και σαν ποιοτικό πείραμα επίδειξης για να δειχτεί ότι η τάση φωτοβολίας του LED εξαρτάται από το χρώμα του.
Βιβλιογραφία
- “Σημειώσεις Οπτοηλεκτρονικής» Νίκος Κονοφάος
Πανεπιστήμιο Αγαίου Σχολή θετικών Επιστημών. Τμήμα μηχανικών πληροφοριακών και επικοινωνιακών συστημάτων. - Περιοδικό Science in school
Classroom fundamentals: measuring the Planck constant https://www.scienceinschool.org/el/2014/issue28/planck - Εργαστηριακή άσκηση : «Μελέτη Φωτοηλεκτρικού φαινομένου με χρήση LEDs” Γ. Μήτσου TEI ΑΘΗΝΑΣ Εργαστήριο Φυσικής Οπτικής – Οπτοηλεκτρονικής και Laser
- Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode