Litrófsgreining díóða á sýnilega og innrauða sviðinu

1. Litrófsgreining díóða á sýnilega og innrauða sviðinu Höfundur fyrirlestrar: Egill Skúlason Samstarfsmaður og díóðueigandi: Benedikt Jónsson 20.03.2003 Háskóli Íslands Raunvísindadeild Efnafræðiskor Eðlisefnafræði 5

2. Innihald fyrirlestrar • Tilgátur um eðli díóða og litróf þeirra • Almennt um díóður • Uppbygging • Ljós • Litur • Lögun rófa • Eilítið um mælitækið og -tæknina • Gagnameðhöndlun • Mælitækið staðlað • Litrófsgreining díóðanna • Blá díóða • Rauð díóða • Innrauð díóða • Samantekt og túlkun niðurstaða

3. Tilgáta 1 um eðli díóða og litróf þeirra • Uppspretta hinna ýmsu lita sem díóðurnar gefa frá sér er hvítt ljós. • Hvíta ljósið er filterað með filmum til að ná fram ákveðnum litum. • Lögun litrófanna er „bjöllulaga“ eða staðalkúrfa.

4. Tilgáta 2 um eðli díóða og litróf þeirra • Litir ljóssins sem streyma frá mismunandi díóðum eru til komnir vegna rafeindatilfærslna í málmþræði díóðunnar þegar straumur er settur á. • Mismunandi litir eru vegna mismunandi frumefna í málmþræðinum. • Litrófið hefur skarpa toppa við ákveðnar öldulengdir.

5. Málmþráða- og hálfleiðara díóður • Díóður geta haft málmþráð á milli tveggja skauta. • Sú tegund díóða sem hér er á ferðinni (Light Emitting Diode) er aftur á móti gerð úr hálfleiðara. • Hálfleiðarar eru yfirleitt gerðir úr kísil-, germaníum- eða kolefniskristöllum en þau frumefni hafa fjórar gildisrafeindir. • Ef kristallarnir eru mjög hreinir þá eru þeir torleiðandi en hægt er að láta þá leiða með ýmsum óhreinindum. Það er kallað að dópa. • Kristallarnir eru yfirleitt dópaðir með frumefnum sem hafa þrjár gildisrafeindir (Ga) eða fimm gildisrafeindir (As, P).

6. frh. um hálfleiðara • Ef gallíum atómum er bætt í t.d. germaníum kristal myndast holur í kristalinn (því það vantar rafeindir) og hann verður jákvæðara hlaðinn (p-týpa). • Ef hins vegar arsenic eða fosfór atómum er bætt í germaníum kristal, hefur kristallinn auka rafeindir og verður því neikvæðara hlaðinn (n-týpa). • Hálfleiðarar í Light Emitting Diode eru einmitt samsettir úr þessum tveimur týpum (mikið dópuðum) og samskeytin þar á milli virka sem einskonar „hlið“ (junction) fyrir rafeindirnar sem geta ferðast þar á milli.

7. Ljós frá díóðum • Þegar nógu mikil spenna er sett á díóðuna og straumur flæðir í gegnum rafrásina hafa rafeindir í n-týpunni nógu mikla orku til að fara yfir samskeytin og yfir í p-týpuna. • Þegar rafeindirnar eru komnar í p-týpuna lenda þær í holunum (Coulomb hrif). • Þetta er kallað samruni (recombines) og við það breytist rafstöðuorka (electric potential energy) í rafsegulorku (electromagnetic energy). • Fyrir hvern ofangreindan samruna losnar skammtur af ljóseind (photon).

8. Litur ljóssins • Litur ljóssins ræðst af tíðni ljóseindanna. • Tíðni ljóseindanna ræðst af efnasamsetningu hálfleiðarans, þ.e.a.s. kristallar sem eru mismikið dópaðir af gallíum, arsenic og fosfór.

9. Lögun díóðurófa • Díóðuframleiðendur reyna að hanna ljósgjafan þannig að ljósgleypnirófin séu með „bjöllulega“ feril á tilteknu tíðnisviði. • Breidd rófs í hálfri hæð topps á að vera í kringum 30 - 50 nm.

10. Eilítið um mælitækið og -tæknina • Litrófsgreinisamstæðan samanstendur af ljósgreiðu (monochromator), ljósskynjara (afl- eða spennugjafi), heimasmíðuðum púlsasmala og gagnasöfnunartölvu. • Ljósgreiða er tæki sem þáttar innsent ljós í frumliti sína. • Megin uppistaða ljósgreiðunnar eru linsur, speglar og raufagler en það skannar litróf ljóssins. • Ljósgreiðan er tengd við spennugjafa þannig að þegar ljós er skannað yfir ákveðið svið myndast útslag eða spennubreyting þegar ákveðin tíðni ljóss er til staðar. • Ef tiltekin tíðni af ljósi er ekki til staðar þegar raufaglerið er staðsett fyrir þá tíðni fæst ekkert útslag. • Magn útslags fer því eftir magni ljóseinda af tiltekinni tíðni.

11. Gagnameðhöndlun • Gögnum er safnað með hugbúnaðinum Lab-View. • Um er að ræða langar runur af tíma- og spennugildum. • Tímagildunum (mín) er breytt í öldulengdargildi með því að margfalda þau við skannhraðann (nm/mín) og leggja það saman við upphafsstað mælingar (nm). • Spennugildunum er breytt í afstætt útslag (%) með því að finna prósentuhlut gildanna af því gildi sem mældist með mesta útslagið.

12. Mælitækið staðlað • Ljósgreiðan er stöðluð með því að mæla litróf útgeislunar frá kvikasilfurslampa. • Öldulengdir mældra kvikasilfurslína eru bornar saman við fræðileg gildi þeirra og venslin þar á milli eru notuð til að leiðrétta mæliniðurstöður.

13. Litróf kvikasilfurslampaMælisvið: 300-600 nmSkannhraði: 15 nm/mínTími mælingar: 20 mín

14. Litrófsgildi kvikasilfursmælingar borin saman við handbókargildi

15. Handbókargildi teiknuð á móti litrófsgildum kvikasilfursmælingar

16. Mælingar á litrófum díóðanna • Í fyrstu var hlaupið yfir breytt litrófssvið á hundavaði til að kanna hvar skildi þrengja bilið og nota minni skannhraða. • Sú varð aftur á móti raunin að mæla þurfti litrófin yfir breytt svið. • Vegna tímafrekra mælinga var skannhraðinn því ekki minnkaður eins mikið og ætlunin var og færri díóður voru mældar.

17. Litróf blárrar díóðuMælisvið: 350-550 nmSkannhraði: 10 nm/mínTími mælingar: 20 mín Skilgreining á bláum lit: 450-520 nm Breidd í hálfum toppi: 33 nm Frá 454 nm til 487 nm Miðja topps: 470 nm

18. Litróf rauðrar díóðuMælisvið: 450-750 nmSkannhraði: 10 nm/mínTími mælingar: 30 mín Skilgreining á rauðum lit: 625-700 nm Skilgreining á grænum lit: 520-560 nm Kvikasilfurslína við 546,35 nm Fræðilegt gildi 546,07 nm

19. Lagfært litróf rauðrar díóðu Hágildi topps: 655 nm Breidd í hálfum toppi: 40 nm Frá 625 nm til 665 nm

20. Innrauð geislun • Innrauð (IR) geislun getur náð frá 700 nm til 1 mm. • Í tilrauninni var byrjað á að skanna yfir allt sviðið sem mælibúnaðurinn eða stilling náði yfir eða frá 800-3000 nm með skannhraðanum 300 nm/mín. • Síðan var mælisviðið þrengt niður í 1100-1900 nm á skannhraða 20 nm/mín.

21. Litróf innrauðrar díóðuMælisvið: 1100-1900 nmSkannhraði: 20 nm/mínTími mælingar: 40 mín

22. Samantekt og túlkun niðurstaða • Ljóst er að við höfum lært heilmikið um heim díóða og hálfleiðara þeirra. • Mælingar gengu hins vegar mis vel. • Litróf blárrar díóðu var vel útlítandi og féll eins og flís við rass að fræðilegum rófum. • Litróf rauðrar díóðu var mengað af umhverfislýsingu en eftir smá lagfæringar má ætla að ágætis mynd hafi náðst af raunveruleikanum. • Innrauð litrófsgreining var vægast sagt misheppnuð. • Ef mælingarnar yrðu framkvæmdar aftur þá væri hugsanlega hægt að halda lýtalausan fyrirlestur.

23. Ég þakka áheyrnina og vonast til að fá nóg af svaranlegum spurningum eða forvitnilegum vangaveltum.