BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO HỘI VẬT LÍ VIỆT NAM Olympic Vật lí Sinh viên Tồn quốc lần thứ XIV Đề thi THỰC NGHIỆM – (Thời gian làm bài: 180 phút) I Mục đích thí nghiệm Dùng điốt quang điện để xác định số thông số LED II Cơ sở lý thuyết LED tên gọi tắt điốt phát sáng (Light Emitting Diode), chất điốt bán dẫn chế tạo đặc biệt để có dòng điện chạy qua điốt phát ánh sáng Là điốt, LED gồm bán dẫn p n ghép lại để có tiếp xúc p-n Bán dẫn n dẫn điện êlectron, bán dẫn p dẫn điện lỗ trống, hiểu nguyên tử thiếu êlectron Khi nối hai cực LED với hiệu điện theo chiều thuận, tức cực dương nối với bán dẫn p, cực âm nối với bán dẫn n, điện trường hiệu điện gây nên bán dẫn đẩy êlectron lỗ trống chạy theo hai chiều khác nhau, gặp khu vực gần tiếp xúc p-n Êlectron gặp lỗ trống triệt tiêu lẫn nhau, thực chất tượng êlectron tự nhảy vào mức lượng thiếu êlectron bên nguyên tử Khi nhảy vào thế, nguyên tử trở thành trung hòa điện, kèm theo có tượng phát lượng tử lượng dạng xạ Khi chế tạo điốt thông thường, người ta trọng sử dụng hiệu ứng chỉnh lưu nên vật liệu bán dẫn Si lượng tử lượng xạ vào cỡ hồng ngoại, làm nóng tiếp xúc chỉnh lưu Khi chế tạo LED, người ta trọng hiệu ứng phát sáng nên vật liệu bán dẫn GaAs, tính tốn pha thêm tạp chất cho êlectron nhảy vào lỗ trống xạ phát nằm phạm vi ánh sáng nhìn thấy Khơng thế, phía tiếp xúc p-n phải cho thật mỏng để ánh sáng từ lớp tiếp xúc p-n phát Về nguyên tắc êlectron nhảy vào lỗ trống lượng tử ánh sáng (phơtơn) phát có lượng h với h số Planck tần số ánh sáng, phụ thuộc vào hiệu hai mức lượng êlectron ngồi nhảy vào lỗ trống Khơng phải tất êlectron chạy qua lớp tiếp xúc tham gia vào việc nhảy vào lỗ trống để phát ánh sáng tất lượng tử ánh sáng phát ra ngồi Bên cạnh hiệu ứng phát sáng số hiệu ứng khác nên lượng điện mà LED tiêu thụ phần biến đổi thành lượng ánh sáng LED phát Người ta gọi: η= PLED hiệu suất phát sáng LED, với công suất xạ ánh sáng PLED công suất điện mà LED tiêu thụ Nói chung cơng suất xạ ánh sáng tỉ lệ với dòng quang điện IPD đo ánh sáng LED chiếu vào điốt quang điện (phôtôđiốt –PD) nên hiệu suất phát xạ tỉ lệ với PLED Như dựa biến thiên PLED theo dòng điện chạy qua LED (iLED) ta xác định dòng điện qua LED cho hiệu suất phát sáng LED cao II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM Cho thí nghiệm mắc mạch theo sơ đồ sau đây: x LED PD 2 3 R2 R1 R3 K 9V Trong hộp thí nghiệm, đèn LED gắn với nắp hộp điốt quang điện PD gắn chặt với nắp Ánh sáng từ đèn LED phát chiếu vào điốt quang điện PD Khoảng cách x LED PD thay đổi nhờ dịch chuyển nắp thí nghiệm Biến trở R2 dùng để điều chỉnh hiệu điện VLED LED dòng điện iLED chạy qua LED Khóa K sử dụng để bật tắt đèn LED (xem hình vẽ) * Giá trị linh kiện mạch: R1 = 220Ω; R2: biến trở; R3=1MΩ * Xoay biến trở thuận chiều kim đồng hồ làm tăng giá trị điện trở biến trở * Các đầu 0, 1, 2, thí nghiệm tương ứng với vị trí đánh dấu mạch điện Đồng hồ đo điện vạn dùng vôn kế đo hiệu điện chiều Hai thang đo chủ yếu dùng 20V 2V III YÊU CẦU THÍ NGHIỆM Khảo sát điốt quang điện: Đánh giá mối quan hệ dòng quang điện sinh PD với cường độ ánh sáng chiếu đến bề mặt Để làm việc thực bước sau: - Thay đổi giá trị biến trở đến giá trị lớn (xoay hết bên phải theo chiều kim đồng hồ) giữ cố định việc khảo sát sau dễ dàng - Khảo sát thay đổi dòng quang điện IPD theo khoảng cách x từ LED đến PD (dịch chuyển nắp so với nắp hộp thí nghiệm) Khoảng giá trị x khảo sát từ đến 17 cm Ghi bảng số liệu cách tính tốn, xử lí số liệu để đưa dạng đồ thị theo x Nhận xét đường đồ thị Giải thích đồ thị theo x thể mối quan hệ dòng quang điện sinh PD cường độ sáng chiếu đến Gợi ý: - Dòng quang điện IPD sinh chiếu ánh sáng vào PD độ chênh lệch dòng điện chạy qua mạch (xác định thông qua hiệu điện V30 rơi điện trở R3) LED chiếu sáng (bật K) LED không chiếu sáng (tắt K) - Nếu ánh sáng phát từ LED có cường độ I0 điểm cách LED khoảng x cường độ ( ) = - Dòng quang điện IPD tỉ lệ thuận với cường độ sáng chiếu đến Xác định dòng điện qua LED ứng với hiệu suất phát sáng LED lớn Để làm việc thực bước sau: - Giữ cố định PD cách LED khoảng cách x có giá trị khoảng từ đến cm - Khảo sát thí nghiệm với cường độ sáng LED khác (thông qua việc thay đổi giá trị biến trở) Các giá trị khảo sát ứng với bước xoay biến trở nửa vòng vòng Kết cần đưa gồm: + Cách tiến hành thí nghiệm, cơng thức tính tốn liên quan + Bảng số liệu thu được, cách xử lý để đưa mối quan hệ PLED theo dòng điện chạy qua LED + Đồ thị PLED theo iLED + Giá trị dòng điện qua LED để thu hiệu suất phát sáng LED cực đại ... chiếu vào điốt quang điện (phôtôđiốt –PD) nên hiệu suất phát xạ tỉ lệ với PLED Như dựa biến thi n PLED theo dòng điện chạy qua LED (iLED) ta xác định dòng điện qua LED cho hiệu suất phát sáng