лабораторная 1

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра КЭОП

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «КОЭ»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОДИОДОВ

Студент гр. 4209		Строганов К.А. Максимова А.А.
Преподаватель		Ламкин И.А.

Санкт-Петербург

2017

Цель работы.

Целью работы является исследование характеристик и определение основных параметров полупроводниковых светодиодов.

Теоретические данные.

Светодиоды – полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через гомо- или гетеро-p-n-переход. Как правило, светодиоды работают в спектральном диапазоне 0,35...1,6 мкм. Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами – СИД. В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности. Также выделяют инфракрасные (ИК) и ультрафиолетовые (УФ) светодиоды. Особым классом светодиодов являются «белые» СИД, чье излучение охватывает практически весь видимый диапазон спектра. Белые светодиоды должны в перспективе заменить лампы накаливания в осветительных приборах благодаря высокой эффективности и значительно большему сроку службы.

В основе действия полупроводниковых светодиодов лежит электролюминесценция. Люминесценция – это излучение, избыточное над тепловым при данной температуре и обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Электролюминесценция – это люминесценция, возбуждаемая внешним электрическим полем. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция неосновных носителей заряда через р-n-переход при приложении к нему прямого напряжения U. Такая люминесценция называется инжекционной.

Энергетическая диаграмма р-n-перехода показана на рис. 2.1. Рассмотрим распределение носителей заряда по энергиям в n-области структуры при отсутствии внешнего напряжения (сечение А-А на рис. 2.1, а). Видно, что концентрация электронов в области сечения велика, а количество дырок очень мало. При смещении р-n-перехода в прямом направлении потенциальный барьер снижается на eU (рис. 2.1, б), электроны из n-области инжектируются в p-область, а дырки – в n‑область. За счет процессов рекомбинации концентрация неосновных носителей заряда убывает по экспоненциальному закону по мере их диффузии от области объемного заряда. Глубиной проникновения инжектированных носителей считают расстояние, на котором их концентрация уменьшится в е раз, т. е. диффузионную длину L_n в p‑мате­риале и L_p в n‑материале.

Неравновесное распределение носителей заряда, возникающее в n- и р‑об­ластях за счет инжекции неосновных носителей через р-n-переход, может быть охарактеризовано с помощью квазиуровней Ферми. Это означает, что уровень Ферми будет расщепляться на два квазиуровня отдельно для электронов F_n* и дырок F_p*, как показано на рис. 2.1, б. По мере удаления от области объемного заряда квазиуровни Ферми будут приближаться к равновесному уровню, сливаясь с ним. На расстоянии, равном диффузионной длине L_n или L_p, неравновесный квазиуровень Ферми снижается (для электронов) или повышается (для дырок) приблизительно на kT от максимального значения на границе p‑n‑перехода.

Интенсивность инжекции неосновных носителей заряда через p‑n‑пе­реход определяется величиной прямого напряжения U, приложенного к струк­туре. Максимальная величина напряжения U_max в этом случае определяется полным спрямлением потенциального барьера, поскольку потенциальный барьер можно почти полностью «убрать» внешним полем, но невозможно сделать его отрицательным. Тогда, как видно из рис. 2.1, eU_max ≈ E_g и типичные значения рабочего напряжения U_раб ≈ 1…4 В. При этом необходимо учитывать, что при протекании тока часть напряжения падает в базовых областях и на контактах. Типичные значения рабочего тока светодиодов составляют 0,1...300 мА. Они зависят от площади p-n-перехода и ограничены нагревом.

Характеристики светодиодов исследуются с помощью установки, схематически представленной на рис. 2.5. Установка содержит RGB-светодиод 1 с несколькими кристаллами 2, излучающими различные длины волн. Измерения спектральных характеристик светодиодов производятся с помощью спектрометра быстрого сканирования 3 (СБС) через волновод 4. Построение спектров происходит автоматически на подключенном к СБС персональном компьютере 5 с помощью программного пакета SpectraSuite. Мощность излучения светодиода регулируется путем изменения прямого тока, поступающего от блока питания PSM-6003. Для контроля значения тока используется амперметр GDM-8246, значение напряжения можно определить с помощью вольтметра, встроенного в блок питания PSM-6003.

Рис. 2.5. Схема для исследования характеристик светодиода

Установка позволяет производить измерения в широком диапазоне температур на светодиоде, задаваемых с помощью элемента Пельтье 6. Температуру можно регулировать с помощью изменения тока, поступающего на элемент Пельтье с блока питания SPS-606.

Обработка результатов эксперимента.

1. спектральные характеристики.

Рис. 1 спектральная характеристика зеленого светодиода.

Рис. 2 спектральная характеристика красного светодиода.

Рис. 3 спектральная характеристика синего светодиода.

2. Зависимость длин волн, соответствующих максимуму излучения каждого из кристаллов, от тока, протекающего через кристалл λ_max = f(I_пр).

Таблица 1

ток	λmax , нм
	зел	кр	син
1	538	627	459
3	534	628	459
5	532	627	460
7	531	627	459
9	531	628	459
11	531	627	459

3. Ватт-амперные характеристики - зависимости мощности излучения, соответствующей максимуму спектра для каждого из кристаллов, от тока, протекающего через кристалл P_max = f(I_пр).

Рис. 4 Ватт-Амперная характеристика.

4. Зависимости, перечисленные в пп. 3-5 для спектров излучения, измеренных при пропускании тока через все кристаллы светодиода.

Рис. 5 Спектральная характеристика белого цвета.

Рис. 6 зависимость длин волн, соответствующих максимуму, от тока.

Рис. 7 Ватт-Амперная характеристика.

Выводы: в ходе данной лабораторной работы были построены:

-спектральные характеристики каждого отдельного светодиода

-спектральные характеристики для одновременно работающих светодиодов

-Ватт-Амперные характеристики для всех светодиодов

-зависимость длинны волны, соответствующей максимуму, от силы тока, протекающей через светодиод.