V_3_1 Bestimmung von h mit Hilfe der Elektroluminiszenz (LED)

Robert-Bosch-Gymnasium
Physik (2-/4-stündig), NGO
Praktikum
Versuch Nr.: 3.1.
Block 3 / Quantenphysik
22.4.2014
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Bestimmung von h mit Hilfe der Elektroluminiszenz
1. Versuchsvorbereitung
Informiere dich anhand deines Unterrichtsskriptes und mit Hilfe des Physikbuches über Halbleiter, insbesondere über die Dotierung, über III-V-Halbleiter, über pn-Übergänge und die Arbeitsweise von Luminiszenzdioden (LED).
Mache dich auch mit dem äußeren Fotoeffekt vertraut und mit seiner Deutung nach Albert Einstein.
Wiederhole die Begriffe Strom- und Spannungsfehlerschaltung.
Bereite Messtabellen (Excel) und Schaubilder vor; lies diese Anleitung und die des Geräteherstellers
(NEVA) eingehend durch!
2. Theoretische Grundlagen
LEDs arbeiten im Prinzip umgekehrt wie Solarzellen. Letztere nutzen den inneren Fotoeffekt aus (Überführung eines gebundenen Elektrons in den Zustand eines freien Elektrons unter Absorption eines Photons). Insofern arbeiten die Leuchtdioden nach dem inversen Prinzip wie diese:
Leuchtdioden bestehen im Prinzip aus einem pn-Übergang; sie werden in Durchlassrichtung betrieben; ihr
Bandabstand (energetischer Abstand zwischen Energie der gebundenen und der freien Elektronen) ist (je
nach Farbe) unterschiedlich groß. Bei der Rekombination der freien Elektronen mit den Löchern wird die
Energie in Form von Licht im infraroten oder sichtbaren Bereich wieder frei.
Dem energetischen Bandabstand W entspricht das Frequenzäquivalent
h $ f [ W.
f =
W
h;
genauer gesagt gilt:
Vereinfachende Betrachtung:
Die Energie, die das Elektron vor seiner Rekombination besitzt, ist
e $ UD
wobei UD die die Antidiffusions- oder Sperrspannung ist. Diese hängt zusammen mit dem (energetischen)
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Bandabstand W und die elektrische Energie des Elektrons wird, vereinfachend angenommen, ganz in Form
von Lichtenergie emittiert.
Die Sperrspannung UD lässt sich leicht aus der I-U-Kennlinie der Leuchtdiode (Durchlasskennlinie)
ermitteln. Sie ist gleich derjenigen Spannung, bei welcher der Stromfluss durch die Diode einsetzt. Bildet
man die Tangente an die I-U-Kennlinie, so schneidet diese die Spannungsachse bei UD.
3. Aufgabenstellung und Durchführung
Du erhältst ein Modul mit sechs LED und einem Vorwiderstand; die LED dürfen nur unter Benutzung dieses
Vorwiderstandes in Durchlassrichtung an eine Gleichspannungsquelle gelegt werden. Die Infrarot-LED wird
von uns nicht benutzt. Die technischen Daten der fünf LED entnehme bitte dem Geräteblatt des Herstellers.
Beachte die Grenzwerte!
a) Aufnahme der I-U-Kennlinien
Benutze dazu die Stromfehlerschaltung; gib die gewählte Schaltung als Schaltskizze in Deinem Protokoll an!
Messe den Diodenstrom im Bereich 0 - 50 mA (bzw. 0 - 100 mA, entsprechend Aufdruck auf dem LED.Modul!) und notiere die Spannung an der Diode (nicht an der Serienschaltung von Diode und Vorwiderstand!).
Tabelliere alle Werte, stellen diese graphisch dar und entnehme dem Schaubild gemäß den oben gemachten
Anmerkungen die Sperrspannung.
b) Bestimmung der Frequenzen
Die Emissionsfrequenzen der verschiedenen LED entnehme bitte dem Geräteblatt des Herstellers!
c) Bestimmung von h
Trage UD über f auf und bestimme aus der Steigung h.
4. Auswertung
Gib einen kurzen theoretischen Abriss über das Experiment. Gib alle Messtabellen und die I-U-Kennlinien
als Excel-Diagramme mit feinem Gitter-Raster an, ebenso das Schaltbild zum Versuch.
Bestimme, wie oben angegeben, die Plancksche Konstante aus der Ausgleichsgeraden von UD über f. Diskutiere auch Fehler und mögliche Fehlerquellen; berechne die relativen Abweichung zum Literaturwert.