LED亮不亮
更新日期:2024/12/23
更新日期:2024/12/23
背景介紹
發光二極體(Light Emitting Diode)是一種二極體,由 P 型半導體與 N 型半導體結合而成。在 P 型半導體中,導電載子為電洞,帶正電,位於價帶頂端;N 型半導體中,導電載子為電子,帶負電,位於導帶底端。當兩者接合在一起時,由於擴散作用,電子會往 P 型半導體跑,電洞會往 N 型半導體跑。原本兩者都是電中性的,擴散之後,在接面附近, P 型就會帶負電,N 型會帶正電,正負電荷的累積在接面附近形成內建電場,阻止電子電洞的進一步擴散(或者說,平衡時,擴散電流和電場所致漂移電流相等)。這個內建電場所在的區域稱為空乏區,如果在這個區域內有電子電洞對的產生(因為吸收光子或因為熱擾動等),則內建電場就會驅使電子電洞分離,往相反方向移動,形成電流。反過來,當施加外部偏壓,使電子和電洞往接面處移動,在接面處發生電子電洞複合,即可產生一顆光子,光子的能量即為 電子與電洞複合前的能階差,和此處半導體的能隙直接相關。發光二極體即是利用此原理透過不同半導體材料能隙的不同,來產生不同顏色的光(亦即不同能量的光子)。
實驗材料
10 mm 紅色透明高亮LED 2 顆
10 mm 黃色透明高亮LED 2 顆
10 mm 綠色透明高亮LED 2 顆
紅黑鱷魚夾對鱷魚夾接線 各一條
紅黑香蕉頭對鱷魚夾接線 各一條
兩顆 3 號電池串聯電池盒,附鍘刀開關 一個
3 號電池 2 顆
10 歐姆 1 瓦 電阻 1 個
簡易三用電錶(有 0.2 mA 檔位) 1 台
實驗項目一:如何知道 LED 的發光顏色
透明高亮的LED 每個顏色的外觀看起來都一樣,圓柱型的身體,圓形的聚光頭,長腳的正極,短腳的負極。如何分辨其發光顏色呢?我們可以利用三用電錶中,用來量測 200 歐姆的檔位(通常是有短路警告蜂鳴器的檔位),將正極紅色鱷魚夾接到 LED 的正極,負極黑色鱷魚夾接到 LED 的負極,即可觀察到 LED 發出微弱的光。先透過此方法將手邊的 LED 分類。每種顏色應該有兩顆。
實驗項目二:二極體導通電壓量測
二極體是電流的單向閥,要能夠導電,一定得給正偏壓(P 接正,N 接負),而且,這個正偏壓還得足夠大(大過 導通電壓),才會有顯著電流產生。
左下圖接線是利用電池盒供給 3 V 電壓,透過 10 歐母的限流電阻,給給電流給 LED。 應該可以觀察到 LED 發亮。此時,拿出三用電錶,轉到 20V 檔位,測量二極體兩端的跨壓,記錄下來,此即為其導通電壓。
實驗項目三:LED 的光電流量測
LED 除了可以當發光用,也可能作為收光偵測用。如下圖利用電池盒供給 LED 發光,在 LED 對面,頭對頭的放置另一顆 LED 作為光電流偵測用,將三用電錶轉到直流 0.2 mA 檔位,接上收光的 LED 。開關電池盒開關,觀察光電流的變化數值,記錄下來。完成圖中的 16 種狀況,紀錄下各數值。
實驗項目四:LED 的光電壓(開路電壓)量測
上面項目三的光電流實驗,也可以改成用量電壓的方式進行。由於照光下,LED 會產生光電流,可是在電壓檔位,三用電錶的內阻極大,光電流流過就會在兩端產生極大的電位差,平衡時,此電流為零,此時量到的電壓即為開路電壓,應該和項目二的導通電壓極為接近。
依照左下圖電路,完成右下表格的量測。
討論
將不同顏色的光依波長由大到小排列:
將不同顏色的光依光子能量由大到小排列:
將不同顏色的LED依其能隙由大到小排列:
若不用光子與能隙的概念,你有辦法解釋實驗結果嗎?