Файл: Методические указания к лабораторным работам для студентов всех специальностей и направлений подготовки санктпетербург 2021.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.11.2023
Просмотров: 39
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
– абсолютный показатель преломления среды, окружающей полупроводник, 
– абсолютный показатель преломления полупроводника.
Для многих полупроводников 
, поэтому если полупроводник имеет плоскую форму, то только незначительная часть фотонов покинет полупроводник. Наиболее простым решением является формирование на поверхности кристалла сферического покрытия из пластического материала с высоким показателем преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения.
Допустим, что при каждом акте рекомбинации электрона и дырки получается один квант света, энергия которого определяется:
. (2)
При увеличении от нуля прямого напряжения, подаваемого на светодиод, ток медленно нарастает. Когда напряжение достигает значения
, сила тока резко возрастает и светодиод начинает излучать свет. Внешнее электрическое поле для перевода электрона через p-nпереход совершает работу:
, (3)
где
– заряд электрона, – величина внешнего поля, при котором светодиод начинает светиться. В этом случае:
. (4)
Из формулы(4) можно определить постоянную Планка:
. (5)
U0
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка включает в себя источник тока, вольтметр, амперметр, магазин сопротивлений и коммутационную коробку со светодиодами (рис. 14).
1
2
3
5
4
Рис.14. Вид установки, где: источник тока (1), магазина сопротивлений (2), коммутационной коробки со светодиодами (3), амперметр (4) и вольтметр (5).
Характеристики светодиодов Таблица 1
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Проверьте по электрической схеме правильность соединения приборов.
2. Для начала работы соедините один конец провода идущего от вольтметра, и конец провода идущего от магазина сопротивлений вместе и вставьте в разъем одного из светодиодов (I, II, или IV) на коммутационной коробке (3). Конец провода идущего от амперметра, и второй конец провода идущего от вольтметра должны быть соединены вместе и вставлены в разъем III на коммутационной коробке.
3. На магазине сопротивлений (2) выставите сопротивление Rx не более 1 кОм.
4. Изменяя сопротивление на магазине сопротивлений, снимите вольтамперную характеристику светодиода (зависимость силы тока от напряжения), стараясь точно определить значение напряжения, при котором светодиод начинает светить.
5. Повторите измерения для других светодиодов. Результаты измерений занесите в таблицу 2.
Вольтамперные характеристики Таблица 2
4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
1. Постройте вольтамперные характеристики.
2. По графическим зависимостям определите U0
3. По формуле (5) определите постоянную Планка h.
4. Результаты вычислений занесите в таблицу 3.
5. Найдите среднее значение h.
6. Полученный результат сравните со справочной величиной постоянной Планка h. Сделайте выводы.
Определение постоянной Планка h Таблица 3
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПРОВЕРКИ ВЛАДЕНИЯ МАТЕРИАЛОМ
1. Что такое светодиод?
2. Объясните принцип образования р-n перехода. Как возникает диффузионное поле? Назовите основные отличия гетероперехода от
р-n перехода.
3. Расскажите о типах гетеропереходов и их основных особенностях (фундаментальных свойствах).
4. Для изготовления какого светодиода необходимо взять полупроводник с большей шириной запрещенной зоны – красного или фиолетового?
5. Как влияет температура на яркость светодиода, длину волны и почему?
6. Что называется внутренним квантовым выходом и почему он не равен внешнему?
7. Объясните, каким образом можно по вольт-амперной характеристике светодиода определить постоянную Планка.
ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЁТУ
Отчёт оформляется в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с требованиями, предъявляемыми кафедрой ОТФ, в котором помимо стандартного титульного листа должны быть раскрыты следующие пункты:
1. Цель работы.
2. Краткое теоретическое содержание:
2.1. Явление, изучаемое в работе.
2.2. Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин.
2.3. Законы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых получены расчётные формулы.
3. Электрическая схема.
4. Расчётные формулы с пояснением к физическим величинам.
5. Формулы погрешностей косвенных измерений.
6. Таблицы с результатами измерений и вычислений.
(Таблицы должны быть пронумерованы и иметь название. Единицы измерения физических величин желательно указать в отдельной строке.
7. Пример вычисления (для одного опыта):
7.1. Расчетная формула.
7.2. Расчетная формула с подстановкой численных значений физических величин.
7.3. Результат вычислений.
8. Графический материал:
8.1. Аналитическое выражение функциональной зависимости, которую необходимо построить.
8.2. На осях координат указать масштаб, физические величины и единицы измерения.
8.3. На координатной плоскости должны быть нанесены экспериментальные точки.
8.4. По результатам эксперимента, представленным на координатной плоскости, провести плавную линию, аппроксимирующую функциональную теоретическую зависимость в соответствии с методом наименьших квадратов.
9. Анализ полученных результатов.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, Полупроводниковые приборы. М.: «Высшая школа», 2001 г.
2. Детлаф А.А., Курс физики: учеб. пособие [Электронный ресурс]/ А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - 5-е изд., стер. - М. : ACADEMIA, 2005. - 720 с.и пред. изд. (2003, 2002, 2001, 1998)
3. Парфенова И.И. Квантовая механика, физика твёрдого тела и элементы атомной физики. / Парфенова И.И., Егоров С.В., Мустафаев А.С. и др. Сборник задач для студентов технических специальностей, СПб.: СПГГИ (ТУ), 2010. 112 с.
4. Савельев И.В. Курс физики: учеб. пособие: в 3 т. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц [Электронный ресурс] /И.В. Савельев – Изд. 4-е, стер. - СПб.[и др.]: Лань,2016. - 308 с.и пред. изд. (2007,1989, 1987)
5. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие [Электронный ресурс]/ Т.И.Трофимова. - 21-е изд., стер. - М. : Академия, 2015. - 560 с. и пред.изд. (2008, 2007, 2004, 1997)
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение…………………………………….……………..........................................3
2. Зонная теория твёрдых тел…………………………………………….…………....4
3. Лабораторная работа. Светодиоды………………………....…………………….....8
4. Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ……………........20
5. Требования к отчёту…………………………………………...................................20
6. Рекомендательный библиографический список…..................................................22
– абсолютный показатель преломления полупроводника. Для многих полупроводников , поэтому если полупроводник имеет плоскую форму, то только незначительная часть фотонов покинет полупроводник. Наиболее простым решением является формирование на поверхности кристалла сферического покрытия из пластического материала с высоким показателем преломления для увеличения критического угла полного внутреннего отражения. Допустим, что при каждом акте рекомбинации электрона и дырки получается один квант света, энергия которого определяется:
. (2) При увеличении от нуля прямого напряжения, подаваемого на светодиод, ток медленно нарастает. Когда напряжение достигает значения
, сила тока резко возрастает и светодиод начинает излучать свет. Внешнее электрическое поле для перевода электрона через p-nпереход совершает работу: , (3)где
– заряд электрона, – величина внешнего поля, при котором светодиод начинает светиться. В этом случае: . (4)Из формулы(4) можно определить постоянную Планка:
. (5) U0
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка включает в себя источник тока, вольтметр, амперметр, магазин сопротивлений и коммутационную коробку со светодиодами (рис. 14).
1
2
3
5
4
Рис.14. Вид установки, где: источник тока (1), магазина сопротивлений (2), коммутационной коробки со светодиодами (3), амперметр (4) и вольтметр (5).
Характеристики светодиодов Таблица 1
| Цвет | Длина волны, нм | Рабочее | |
| Напряжение, В | Сила тока, мА | ||
| Синий | 470 | 4,5 | 30 |
| Зелёный | 520-525 | 3,5 | 30 |
| Оранжевый | 590 | 2 | 20 |
| Красный | 620 | 2 | 20 |
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Проверьте по электрической схеме правильность соединения приборов.
2. Для начала работы соедините один конец провода идущего от вольтметра, и конец провода идущего от магазина сопротивлений вместе и вставьте в разъем одного из светодиодов (I, II, или IV) на коммутационной коробке (3). Конец провода идущего от амперметра, и второй конец провода идущего от вольтметра должны быть соединены вместе и вставлены в разъем III на коммутационной коробке.
3. На магазине сопротивлений (2) выставите сопротивление Rx не более 1 кОм.
4. Изменяя сопротивление на магазине сопротивлений, снимите вольтамперную характеристику светодиода (зависимость силы тока от напряжения), стараясь точно определить значение напряжения, при котором светодиод начинает светить.
5. Повторите измерения для других светодиодов. Результаты измерений занесите в таблицу 2.
Вольтамперные характеристики Таблица 2
| № п/п | Светодиод | |||||||
| Красный | Оранжевый | Зелёный | Синий | |||||
| I, мА | U, мВ | I, мА | U, мВ | I, мА | U, мВ | I, мА | U, мВ | |
| | | | | | | | | |
4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
1. Постройте вольтамперные характеристики.
2. По графическим зависимостям определите U0
3. По формуле (5) определите постоянную Планка h.
4. Результаты вычислений занесите в таблицу 3.
5. Найдите среднее значение h.
6. Полученный результат сравните со справочной величиной постоянной Планка h. Сделайте выводы.
Определение постоянной Планка h Таблица 3
| Светодиод | ||||||||
| Красный | Оранжевый | Зелёный | Синий | |||||
| U0, мВ | h, Дж·с | U0, мВ | h, Дж·с | U0, мВ | h, Дж·с | U0, мВ | h, Дж·с | |
| | | | | | | | | |
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ И ПРОВЕРКИ ВЛАДЕНИЯ МАТЕРИАЛОМ
1. Что такое светодиод?
2. Объясните принцип образования р-n перехода. Как возникает диффузионное поле? Назовите основные отличия гетероперехода от
р-n перехода.
3. Расскажите о типах гетеропереходов и их основных особенностях (фундаментальных свойствах).
4. Для изготовления какого светодиода необходимо взять полупроводник с большей шириной запрещенной зоны – красного или фиолетового?
5. Как влияет температура на яркость светодиода, длину волны и почему?
6. Что называется внутренним квантовым выходом и почему он не равен внешнему?
7. Объясните, каким образом можно по вольт-амперной характеристике светодиода определить постоянную Планка.
ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЁТУ
Отчёт оформляется в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с требованиями, предъявляемыми кафедрой ОТФ, в котором помимо стандартного титульного листа должны быть раскрыты следующие пункты:
1. Цель работы.
2. Краткое теоретическое содержание:
2.1. Явление, изучаемое в работе.
2.2. Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин.
2.3. Законы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых получены расчётные формулы.
3. Электрическая схема.
4. Расчётные формулы с пояснением к физическим величинам.
5. Формулы погрешностей косвенных измерений.
6. Таблицы с результатами измерений и вычислений.
(Таблицы должны быть пронумерованы и иметь название. Единицы измерения физических величин желательно указать в отдельной строке.
7. Пример вычисления (для одного опыта):
7.1. Расчетная формула.
7.2. Расчетная формула с подстановкой численных значений физических величин.
7.3. Результат вычислений.
8. Графический материал:
8.1. Аналитическое выражение функциональной зависимости, которую необходимо построить.
8.2. На осях координат указать масштаб, физические величины и единицы измерения.
8.3. На координатной плоскости должны быть нанесены экспериментальные точки.
8.4. По результатам эксперимента, представленным на координатной плоскости, провести плавную линию, аппроксимирующую функциональную теоретическую зависимость в соответствии с методом наименьших квадратов.
9. Анализ полученных результатов.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, Полупроводниковые приборы. М.: «Высшая школа», 2001 г.
2. Детлаф А.А., Курс физики: учеб. пособие [Электронный ресурс]/ А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - 5-е изд., стер. - М. : ACADEMIA, 2005. - 720 с.и пред. изд. (2003, 2002, 2001, 1998)
3. Парфенова И.И. Квантовая механика, физика твёрдого тела и элементы атомной физики. / Парфенова И.И., Егоров С.В., Мустафаев А.С. и др. Сборник задач для студентов технических специальностей, СПб.: СПГГИ (ТУ), 2010. 112 с.
4. Савельев И.В. Курс физики: учеб. пособие: в 3 т. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц [Электронный ресурс] /И.В. Савельев – Изд. 4-е, стер. - СПб.[и др.]: Лань,2016. - 308 с.и пред. изд. (2007,1989, 1987)
5. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие [Электронный ресурс]/ Т.И.Трофимова. - 21-е изд., стер. - М. : Академия, 2015. - 560 с. и пред.изд. (2008, 2007, 2004, 1997)
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение…………………………………….……………..........................................3
2. Зонная теория твёрдых тел…………………………………………….…………....4
3. Лабораторная работа. Светодиоды………………………....…………………….....8
4. Вопросы для самоконтроля и проверки владения материалом ……………........20
5. Требования к отчёту…………………………………………...................................20
6. Рекомендательный библиографический список…..................................................22