Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung………………………………………………………………………………………………………………1 Geräte……………………………………………………………………………………………………………………………….2 Aufbau……………………………………………………………………………………………………………………………….2-3 Durchführung…………………………………………………………………………………………………………………….4 Auswertung……………………………………………………………………………………………………………………….5-8 1 Aufgabenstellung Teil 1 Im ersten Teil dieses Versuches sollen die Strom-Spannungskennlinien von fünf verschiedenen LEDs, sowie einer Laserdiode (LD) erfasst werden. Die LEDs und die LD werden vom Labor bereitgestellt. Bei den LEDs soll unbedingt eine Infrarot-LED (IR) mit unsichtbarer Strahlung untersucht werden. Aus den Daten ist die Knickspannung Ug durch Geradenanpassung zu bestimmen. Teil 2 Bei Teil 2 werden die Leuchtspektren der Optohalbleiter mit dem Mini-Spektrometer über den PC dargestellt. Aus den Leuchtspektren soll die Wellenlänge ermittelt werden und daraus die Frequenz fg = c0/ λg berechnet werden. Teil 3 Zum Schluss sollen die Knickspannung aus Teil 1 und die Frequenz aus Teil 2 in einen Graphen übertragen werden. Die Steigung der Ausgleichgeraden soll berechnet werden, woraus dann die Planck-Konstante ermittelt wird. Abschließend wird die Planck-Konstante mit dem Literaturwert verglichen. Geräte • • • • • 1 Optische Bank zur Aufnahme der Zentrierhalterung für die LED, mehrere StrahlAbschwächer, Strahleinkopplung und Halter für den Lichtwellenleiter 1 Lichtwellenleiter-Kabel SI 200/240μm mit F-SMA-Stecker 1 Labornetzteil: Spannungs-Stromquelle für LED 1 Mini-Spektrometer mit Labor-PC und Software 2 Digital-Multimeter zur Messung von Spannung und Strom Aufbau Teil 1 Aufgebaut wird die Schaltung nach dem vorgegebenen Schaltbild (Bild 2). Auf der optischen Bank werden die jeweiligen Zentrierhalterungen fixiert. Die zu untersuchenden LEDs und die Laserdiode werden in die Zentrierhalterung (Bild1) mit Kabel und Sockel eingesetzt. Nacheinander werden die LEDs an die Schaltung (Bild 2) angeschlossen und gemessen. Diodenstrom und Diodenspannung werden dabei notiert. 2 Bild 1: Zentrierhalterung mit LED, Zentrierfassung mit der LD Bild 2: Messschaltung (4-Punkt-Methode) für Strom ID und Spannung UD. Teil 2 Die Optische Bank ist mit den in Bild 3 zu sehenden Bauteilen zu bestücken. Durch die optische Bank werden die Lichtstrahlen in den Lichtwellenleiter eingeleitet. An dem Lichtwellenleiter ist ein Mini-Spektrometer angeschlossen, welches über eine SCSISchnittstellenkarte mit dem Labor-PC verbunden ist. Auf einem Monitor wird das Spektrum in Echtzeit dargestellt. Bild3: Zentrierhalter LED an der Einkoppeleinheit für die Einkopplung des Lichts in den LichtWellenLeiter (LWL) 3 Durchführung Teil 1 Nachdem die Schaltung aufgebaut ist wird das Netzteil eingeschaltet. Um konstante und vergleichbare Werte zu erhalten, wird die Spannung auf 5,5V eingestellt und während des gesamten Versuchs beibehalten. Der Strom wird mit Hilfe der beiden drehknöpfe „grob“ und „fein“ in den linken Anschlag auf null gesetzt. Um den Regelbereich für den Strom 𝐼𝐷 zu testen wird ein Kurzschluss-Tester eingesetzt. Bei der Messung werden nacheinander die 5 LEDs in den Sockel eingesetzt. Die Laserdiode ist schon fest in einem Sockel mit Schutzschaltung verbaut. Durch den Drehregler wird der Diodenstrom 𝐼𝐷 in 4mA Schritten auf 20 mA erhöht. Falls kein Strom fließ, muss die Diode umgepolt werden. Bei jedem Schritt wird Strom und Spannung und die Lichtfarbe notiert. Für die Auswertung werden die gemessenen Werte in einem Diagramm dargestellt. Durch lineare Regression kann die gesuchte Knickspannung 𝑈𝑔 ermittelt und dargestellt werden. Es sollen nur werte ab 4mA berücksichtigt werden. Teil 2 Nach dem Starten des Mini-Spektrometers über das Betriebsprogramm Ocean Optics erscheint auf dem Monitor des PCs das Emissionsspektrum der LED in der Form eines Peaks bei einer bestimmten Wellenlänge. Die Signalstärke muss n der Regel an den Messbereich des Minispektrometers angepasst werden. Dies ist mit verschieden Starken Strahlabschwächern zu realisieren. Die Peak-Wellenlänge ist für die Farbe entscheidend. Die Halbwertsbreite (engl. Full Width Half Maximum = FWHM) der emittierten Strahlung ist typischerweise etwa 30 nm breit. Der Diodenstrom wird zwischen 10mA bis 20mA so eingestellt, dass der Messbereich des Minispektrometers optimal ausgenutzt wird. Ist alles eingestellt wird zuerst die PeakWellenlänge 𝜆𝑚𝑎𝑥 mit der Maus bestimmt. Das gleiche wird bei der Halbwertsbreite (FWHM) gemacht, die bei 50% des Maximalwertes auf beiden Seiten abgelesen wird. Als letztes wird die Grenzwellenlänge𝜆𝑔 aus dem größeren Wert der Halbwertsbreite ermittelt. Zur Kontrolle wird bei einer LED die PLANCKsche Konstante berechnet und verglichen. Aus allen LEDs und der LD wird die Frequenz fg mit der folgenden Formel bestimmt: 𝑓𝑔 = 𝑐𝑜 / 𝜆𝑔. Teil 3 Aus den Daten von Teil 1 und 2 wird ein Graph aus der Knickspannung und Frequenz aufgestellt. Die Steigung der Ausgleichsgeraden wird bestimmt und daraus die PLANCKsche Konstante ermittelt. Zum Schluss wird der Mittelwert errechnet und mit dem Literaturwert verglichen. 4 Auswertung Teil 1 LED rot 2,5 2 UD/ V Spannung Strom (Regler auf (mA) 5,5 V) 0 4 1,774 8 1,831 12 1,871 16 1,904 20 1,93 1,5 y = 0,0096x + 1,7465 1 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ID/MA Bild 4 LED grün 2,5 2 UD/ V Strom Spannung (Regler (mA) auf 5,5 V) 0 4 1,973 8 2,057 12 2,13 16 2,192 20 2,26 1,5 y = 0,0177x + 1,9097 1 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ID/MA Bild 5 LED blau 3,5 3 2,5 UD/ V Spannung Strom (Regler auf 5,5 (mA) V) 0 4 2,715 8 2,827 12 2,907 16 2,969 20 3,024 2 y = 0,019x + 2,6604 1,5 1 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ID/MA Bild 6 5 LED NIR 950 1,5 UD/ V Strom Spannung (Regler (mA) auf 5,5 V) 0 4 1,308 8 1,335 12 1,354 16 1,369 20 1,381 1 0,5 y = 0,0045x + 1,2954 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ID/MA Bild 7 LED Amber 2,5 2 UD/ V Strom Spannung (Regler (mA) auf 5,5 V) 0 4 1,892 8 1,941 12 1,975 16 2,004 20 2,028 1,5 y = 0,0084x + 1,8675 1 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ID/MA Bild 8 Laserdiode UD/ V Strom Spannung (Regler (mA) auf 5,5 V) 0 4 2,291 8 2,74 12 3,169 16 3,583 20 3,98 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 y = 0,1055x + 1,8863 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 ID/MA Bild 9 6 Teil 2 Grenzwellenlänge 𝜆𝑔 in nm 661,202 576,231 475,117 854 596,556 Farbe rot grün blau Nir 950 amber LD 652,707 𝑓𝑔 = 𝑐𝑜 / 𝜆𝑔. In THz 453 520 631 350 502 459 Lichtgeschwindigkeit c0 in m/s 299705518 ℎ = 𝑈𝐷 ∗ 𝑒0 /𝑓𝑔 bei Rot: 1,7456𝑉 ∗ 1,602 ∗ 10−19 𝐽 ℎ= = 6,173 ∗ 10−34 𝐽 ∗ 𝑠 4,53 ∗ 10−14 𝐻𝑧 Teil 3 Farbe Nir 950 rot LD amber grün blau Frequenz fg in THz 0 222 Knckspannung Ug 453 459 502 520 631 1,7465 1,8863 1,8675 1,9097 2,6604 0 1,2954 7 3 Knickspannung Ug 2,5 2 1,5 y = 0,0037x + 0,1405 1 0,5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Frequenz in Thz Bild 10 ℎ = 0,38 ∗ 10−14 ∗ 1,602 ∗ 10−19 = 6,0876 ∗ 10−34 𝐽𝑠 Im Vergleich zum Literaturwert h=6,626*10−34 (Quelle: Versuchsunterlagen) sind Abweichungen ab der ersten Kommastelle zu sehen. Dies kann an den Messfehlern liegen die zB beim Ablesen oder durch Verschmutzung entstehen. 8
