Министерство науки и высшего образования российской федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Национальный исследовательский томский политехнический университет»
Инженерная школа новых производственных технологий
Обеспечивающее подразделение: Отделение материаловедения
Направление: 12.03.02 Оптотехника
ОТЧЁТ
ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ дисциплина " Оптические материалы и технологии"
Выполнила:
студентка группы
Проверил:
доктор ф.-м.н. профессор (ОМ, ИШНПТ) ______________ Е.Ф. Полисадова
Томск - 2023
Цель работы: исследовать спектральную, вольт-амперную, люмен-амперную характеристики светоизлучающих диодов.
Описание установки
Функциональная схема установки приведена на рисунке 1. Она состоит из двух частей: 1-я часть—схема питания светодиода, 2-я часть—схема измерения излучательных характеристик светодиода.
Рисунок 1. Функциональная схема установки.
Светодиод;
Вольтметр М2004;
Амперметр М2015;
Балластное сопротивление;
Источник постоянного напряжения ТЕС15;
Регуляторы напряжения "грубо" и "фино";
Светонепроницаемый кожух;
Решеточный монохроматор МУМ;
Фотоэлемент;
Блок питания ФЭ;
Цифровой амперметр В7-22 для регистрации фототока;
Рукоятка установки длины волны;
Панель индикации длин волн;
Винт крепления светодиода;
Байонетный разъем.
Схема питания состоит из источника стабилизированного напряжения (5), светодиода типа АЛ-102, включенного в прямом направлении (1), балластного сопротивления (4), которое служит для ограничения тока через светодиод, и приборов контроля режима питания светодиода (2) и (3).
Интенсивность свечения светодиода измеряется для фиксированной длины волны, выделяемой монохроматором (8), с помощью фотоэлемента (9) и цифрового прибора (11) показания которого соответствуют спектральной интенсивности свечения светодиода (в относительных единицах).
Ход работы
ЗАДАНИЕ 1. Измерить спектры люминесценции светодиодов, данных преподавателем.
Таблица 1. Измерение световой интенсивности для красного светодиода.
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
540 |
0,07 |
595 |
0,26 |
650 |
22,34(5,84) |
705 |
0,37 |
760 |
0,11 |
545 |
0,07 |
600 |
0,42 |
655 |
22,34(6,44) |
710 |
0,28 |
765 |
0,1 |
550 |
0,08 |
605 |
0,68 |
660 |
22,34(5,64) |
715 |
0,23 |
770 |
0,1 |
555 |
0,08 |
610 |
1,11 |
665 |
22,34(4,17) |
720 |
0,19 |
775 |
0,1 |
560 |
0,08 |
615 |
1,81 |
670 |
22,34(2,84) |
725 |
0,17 |
780 |
0,09 |
565 |
0,08 |
620 |
2,96 |
675 |
22,34(2,09) |
730 |
0,16 |
785 |
0,09 |
570 |
0,09 |
625 |
4,8 |
680 |
7,57 |
735 |
0,14 |
790 |
0,08 |
575 |
0,1 |
630 |
7,88 |
685 |
3,6 |
740 |
0,13 |
|
|
580 |
0,11 |
635 |
12,38 |
690 |
1,79 |
745 |
0,12 |
|
|
585 |
0,14 |
640 |
19,74(3,5) |
695 |
0,96 |
750 |
0,12 |
|
|
590 |
0,18 |
645 |
22,34(4,53) |
700 |
0,55 |
755 |
0,11 |
|
|
Примечание 1. Измерения в скобках, были сделаны при более низком напряжении, чтобы понять, где находится пик излучения, т.к. был достигнут порог на более высоком напряжении и значение световой интенсивности не изменялось.
Рисунок 2. Спектр люминесценции красного светодиода.
Рисунок 3. Пики спектра люминесценции красного светодиода.
Пик люминесценции светодиода приходится на 650 нм, это оранжево-красная область спектра.
Таблица 2. Измерение световой интенсивности для зелёного светодиода.
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
λ, нм |
I, отн.ед. |
450 |
0,02 |
485 |
3,43 |
520 |
4,35 |
555 |
0,38 |
590 |
0,06 |
455 |
0,03 |
490 |
4,86 |
525 |
3,12 |
560 |
0,28 |
595 |
0,05 |
460 |
0,07 |
495 |
7,52 |
530 |
2,23 |
565 |
0,19 |
600 |
0,04 |
465 |
0,15 |
500 |
8,94 |
535 |
1,56 |
570 |
0,15 |
605 |
0,03 |
470 |
0,27 |
505 |
8,72 |
540 |
1,08 |
575 |
0,11 |
|
|
475 |
0,52 |
510 |
7,43 |
545 |
0,74 |
580 |
0,08 |
|
|
480 |
1,98 |
515 |
5,81 |
550 |
0,53 |
585 |
0,07 |
|
|
Рисунок 4. Спектр люминесценции зелёного светодиода.
Пик люминесценции приходится на 500 нм. Это голубовато-зелёная область спектра.
ЗАДАНИЕ 2. Исследовать вольт-амперные и люмен-амперные характеристики "зеленого" и" красного" светодиодов при 10-15 значениях тока. При этом обращать внимание на тщательность измерения напряжения, которое изменяется незначительно при изменении тока в широком интервале значений.
Таблица 3 . Измерения для составления ВАХ и ЛАХ красного светодиода.
J, мА |
Свет. поток, отн.ед. |
U, B |
J, мА |
Свет. поток, отн.ед. |
U, B |
0,05 |
1,34 |
1,33 |
3 |
9,28 |
1,67 |
0,25 |
1,7 |
1,51 |
4 |
12,32 |
1,68 |
0,45 |
2,11 |
1,57 |
6 |
18,9 |
1,71 |
0,65 |
2,56 |
1,6 |
7,5 |
23,5 |
1,73 |
0,75 |
2,79 |
1,61 |
9 |
23,7 |
1,74 |
0,9 |
3,14 |
1,62 |
12 |
23,7 |
1,78 |
1,2 |
3,93 |
1,63 |
15 |
23,7 |
1,8 |
1,5 |
4,76 |
1,64 |
18 |
23,7 |
1,81 |
1,8 |
5,6 |
1,65 |
24 |
23,7 |
1,86 |
2,4 |
7,4 |
1,66 |
30 |
23,7 |
1,88 |
Таблица 4. Измерения для составления ВАХ и ЛАХ зелёного светодиода.
J, мА |
Ф, отн.ед. |
U, B |
J, мА |
Ф, отн.ед. |
U, B |
0,05 |
1,32 |
0,03 |
12 |
1,3 |
1,6 |
0,25 |
1,3 |
0,01 |
15 |
1,3 |
1,88 |
0,45 |
1,3 |
0,18 |
18 |
1,3 |
2,17 |
0,65 |
1,3 |
0,24 |
22 |
1,32 |
3 |
0,75 |
1,3 |
0,26 |
22,5 |
1,34 |
3,04 |
0,9 |
1,3 |
0,3 |
23 |
1,38 |
3,07 |
1,2 |
1,3 |
0,35 |
23,5 |
1,45 |
3,11 |
1,5 |
1,3 |
0,41 |
24 |
1,57 |
3,15 |
1,8 |
1,3 |
0,45 |
24,5 |
1,73 |
3,18 |
2,4 |
1,3 |
0,54 |
25 |
1,88 |
3,21 |
3 |
1,29 |
0,63 |
25,5 |
2,04 |
3,23 |
4 |
1,29 |
0,75 |
26 |
2,3 |
3,26 |
6 |
1,3 |
0,98 |
26,5 |
2,57 |
3,29 |
7,5 |
1,3 |
1,15 |
27 |
2,8 |
3,31 |
9 |
1,3 |
1,31 |
27,5 |
3,77 |
3,38 |
ЗАДАНИЕ 3. Используя программу управления базой данных «Microsoft Excel», построить графики ВАХ и люмен-амперных характеристик в относительных единицах.
Построить ВАХ в координатах lnJ и V. Определить m по наклону прямой. Вычислить внешний квантовый выход кв по формулам (7-4) и (7-5). Построить зависимость внешнего квантового выхода от тока через p-n переход.
Рисунок 5. ВАХ для красного светодиода (максимальное значение интенсивности на 650 нм).
Рисунок 6. ЛАХ для красного светодиода (максимальное значение интенсивности на 650 нм).
Рисунок 7. ВАХ для зелёного светодиода (максимальное значение интенсивности на 500 нм).
Рисунок 8. ЛАХ для зелёного светодиода (максимальное значение интенсивности на 500 нм).
Для красного светодиода:
Рисунок 9. ВАХ красного светодиода в координатах lnJ и U.
Для того чтобы определить значение m, нужно определить угол наклона прямой. Для того, чтобы найти угол наклона прямой, найдём тангенс угла наклона:
Рассчитаем квантовый выход:
Таблица 5. Значения для определения квантового выхода для красного светодиода.
J, A |
U, B |
Ф, лм |
Р, Вт |
|
|
0,00005 |
1,33 |
0,00000134 |
0,0000665 |
0,0000000197 |
0,0002963291 |
0,00025 |
1,51 |
0,0000017 |
0,0003775 |
0,0000000250 |
0,0000662252 |
0,00045 |
1,57 |
0,00000211 |
0,0007065 |
0,0000000310 |
0,0000439199 |
0,00065 |
1,6 |
0,00000256 |
0,00104 |
0,0000000376 |
0,0000361991 |
0,00075 |
1,61 |
0,00000279 |
0,0012075 |
0,0000000410 |
0,0000339788 |
0,0009 |
1,62 |
0,00000314 |
0,001458 |
0,0000000462 |
0,0000316711 |
0,0012 |
1,63 |
0,00000393 |
0,001956 |
0,0000000578 |
0,0000295471 |
0,0015 |
1,64 |
0,00000476 |
0,00246 |
0,0000000700 |
0,0000284553 |
0,0018 |
1,65 |
0,0000056 |
0,00297 |
0,0000000824 |
0,0000277283 |
0,0024 |
1,66 |
0,0000074 |
0,003984 |
0,0000001088 |
0,0000273151 |
0,003 |
1,67 |
0,00000928 |
0,00501 |
0,0000001365 |
0,0000272396 |
0,004 |
1,68 |
0,00001232 |
0,00672 |
0,0000001812 |
0,0000269608 |
0,006 |
1,71 |
0,0000189 |
0,01026 |
0,0000002779 |
0,0000270898 |
0,0075 |
1,73 |
0,0000235 |
0,012975 |
0,0000003456 |
0,0000266349 |
0,009 |
1,74 |
0,0000237 |
0,01566 |
0,0000003485 |
0,0000222560 |
0,012 |
1,78 |
0,0000237 |
0,02136 |
0,0000003485 |
0,0000163169 |
0,015 |
1,8 |
0,0000237 |
0,027 |
0,0000003485 |
0,0000129085 |
0,018 |
1,81 |
0,0000237 |
0,03258 |
0,0000003485 |
0,0000106976 |
0,024 |
1,86 |
0,0000237 |
0,04464 |
0,0000003485 |
0,0000078076 |
0,03 |
1,88 |
0,0000237 |
0,0564 |
0,0000003485 |
0,0000061796 |
Рисунок 10. Зависимость внешнего квантового выхода от тока через p-n переход для красного светодиода.
Для зелёного светодиода:
Рисунок 11. ВАХ зелёного светодиода в координатах lnJ и U.
Для того чтобы определить значение m, нужно определить угол наклона прямой. Для того, чтобы найти угол наклона прямой, найдём тангенс угла наклона:
Рассчитаем квантовый выход:
Таблица 6. Значения для определения квантового выхода для зелёного светодиода.
J, A |
U, B |
Ф, лм |
Р, Вт |
|
|
0,00005 |
0,03 |
0,00000132 |
0,0000015 |
0,0000000019 |
0,0012941176 |
0,00025 |
0,01 |
0,0000013 |
0,0000025 |
0,0000000019 |
0,0007647059 |
0,00045 |
0,18 |
0,0000013 |
0,000081 |
0,0000000019 |
0,0000236020 |
0,00065 |
0,24 |
0,0000013 |
0,000156 |
0,0000000019 |
0,0000122549 |
0,00075 |
0,26 |
0,0000013 |
0,000195 |
0,0000000019 |
0,0000098039 |
0,0009 |
0,3 |
0,0000013 |
0,00027 |
0,0000000019 |
0,0000070806 |
0,0012 |
0,35 |
0,0000013 |
0,00042 |
0,0000000019 |
0,0000045518 |
0,0015 |
0,41 |
0,0000013 |
0,000615 |
0,0000000019 |
0,0000031086 |
0,0018 |
0,45 |
0,0000013 |
0,00081 |
0,0000000019 |
0,0000023602 |
0,0024 |
0,54 |
0,0000013 |
0,001296 |
0,0000000019 |
0,0000014751 |
0,003 |
0,63 |
0,00000129 |
0,00189 |
0,0000000019 |
0,0000010037 |
0,004 |
0,75 |
0,00000129 |
0,003 |
0,0000000019 |
0,0000006324 |
0,006 |
0,98 |
0,0000013 |
0,00588 |
0,0000000019 |
0,0000003251 |
0,0075 |
1,15 |
0,0000013 |
0,008625 |
0,0000000019 |
0,0000002217 |
0,009 |
1,31 |
0,0000013 |
0,01179 |
0,0000000019 |
0,0000001622 |
0,012 |
1,6 |
0,0000013 |
0,0192 |
0,0000000019 |
0,0000000996 |
0,015 |
1,88 |
0,0000013 |
0,0282 |
0,0000000019 |
0,0000000678 |
0,018 |
2,17 |
0,0000013 |
0,03906 |
0,0000000019 |
0,0000000489 |
0,022 |
3 |
0,00000132 |
0,066 |
0,0000000019 |
0,0000000294 |
0,0225 |
3,04 |
0,00000134 |
0,0684 |
0,0000000020 |
0,0000000288 |
0,026 |
3,07 |
0,00000138 |
0,07061 |
0,0000000020 |
0,0000000287 |
0,0265 |
3,11 |
0,00000145 |
0,073085 |
0,0000000021 |
0,0000000292 |
0,027 |
3,15 |
0,00000157 |
0,0756 |
0,0000000023 |
0,0000000305 |
0,0275 |
3,18 |
0,00000173 |
0,07791 |
0,0000000025 |
0,0000000327 |
Рисунок 12. Зависимость внешнего квантового выхода от тока через p-n переход для зелёного светодиода.
ЗАДАНИЕ 4. Определить яркость свечения L светодиода по формуле Ф= L S, где Ф— световой поток, лм; L — яркость, КД/м2; S — площадь светодиода, м2.
Для красного светодиода:
Для зелёного светодиода:
Вывод: в ходе данной лабораторной работы было проведено исследование характеристик светоизлучающих диодов, рассчитаны внешний квантовый выход и яркость свечение светодиода на 1м2. Также были построены графики их вольтамперных и люмен амперных характеристик, построена зависимость внешнего квантового выхода от тока через p-n переход.
В спектрах люминесценции красного и зеленого светодиодов наблюдается одна полоса с максимумом. Для красного светодиода максимум наблюдается при длине волны 650 нм, для зелёного - при длине волны 500 нм.
Из ВАХ зеленого и красного светодиода можно сделать вывод, что с увеличением прямого тока прямое напряжение увеличивается. Максимальное значение силы тока для красного светодиода составляет 1,88 мА, для зеленого – 27,5 мА. Следовательно, чем больше длина волны, тем меньший ток протекает через светодиод.
Из люмен-амперных характеристик можно сделать вывод, что чем больше сила тока тем меньше интенсивность свечения.