Besondere Lernleistung Thema: Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Leuchtdioden von Florian Kantelberg und Michael Winkler

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1 Besondere Lernleistung Thema: Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Leuchtdioden von Florian Kantelberg und Michael Winkler Gliederung: 1. Einleitung 2. Lichtelektrischer Effekt - Bestimmung des Plankschen Wirkungsquantums 2.1 Versuchsaufbau 2.2 Durchführung 2.3 Messwerte 2.4 Funktionsweise der Gegenfeldmethode 2.5 Auswertung 3. Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Leuchtdioden 3.1 Geschichte der Leuchtdioden 3.2 Aufbau von Leuchtdioden 3.3 Wirkungsweise 3.4 Experiment mit eigener Experimentiervorrichtung Kennlinien und Frequenzen der Leuchtdioden Aufbau Durchführung Auswertung 3.5 Vorteile und Nachteile von Leuchtdioden 4. Anhang 4.1 Quellen 4.2 Bilder 4.3 Selbstständigkeitserklärung 1

2 1. Einleitung Nachdem Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts mit den ersten Erkenntnissen in der Quantenphysik und der Aufstellung der Relativitätstheorie die moderne Physik begründet wurde, entwickelte sich diese stetig weiter und ist bis heute noch ein Feld in den Wissenschaften, in dem es noch viele ungeklärte Sachverhalte gibt. Wir haben uns mit einem Effekt beschäftigt, der zwar schon im Jahre 1907 von H.J. Round entdeckt wurde, aber trotz seiner aus heutiger Sicht großen Bedeutung erst in den 50er Jahren des 20sten Jahrhunderts genauer untersucht wurde, der Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Halbleitermaterialien. Diese Forschung führte zur Entwicklung hocheffizienter Leuchtdioden. Spätestens im Jahre 1962 begann mit der ersten kommerziellen LED (Light Emitting Diode) von General Electric der Siegeszug der Leuchtdioden. 2

3 2. Lichtelektrischer Effekt Bestimmung des Plankschen Wirkungsquantums 2.1 Versuchsaufbau 2.2 Durchführung 2.3 Messwerte 2.4 Funktionsweise der Gegenfeldmethode 2.5 Auswertung 3

4 2.1 Versuchsaufbau Strahlengang: Bild Schaltplan: 4

5 2.2 Durchführung 1. Mit Hilfe des Spiegels in der Kompaktvorrichtung wird eine Spektrallinie scharf auf der Fotozelle abgebildet. 2. Der Widerstand des Potentiometers wird so geändert, dass am Spannungsmessgerät keine Spannung mehr angezeigt wird. Nun wird der Wert für die Stromstärke abgelesen. 3. Nun wird der Widerstand so geändert, dass die Stromstärke am Messgerät 0 wird und die Spannung abgelesen. 4. Wiederholung mit einer anderen Farbe. 5

6 2.3 Messwerte Quecksilber (Hg) Spektrallinien 1 Farbe λ in nm Intensität f=c/ λ in Hz violett 404,66 stark 7,41 blau 435,84 stark 6,88 grün 546,07 sehr stark 5,49 gelb 576,96 sehr stark 5,20 gelbes Spektral f in Hz 5,2 5,49 U 0 (I=0) in V 0,48 0,6 I 0 (U=0) in A 2,7 5,5 (siehe auch: Bilder ) grünes Spektral 1 Werte nach: PHPSESSID=af213d5f7c5f5698c189fa6aef2962b2 (Seite 8/8) 6

7 2.4 Funktionsweise der Gegenfeldmethode Bei dem Zusammenstoß von Photonen des Lichts mit den Elektronen in der Fotozelle, übertragen diese ihre ganze Energie auf die Elektronen, die dadurch kinetische Energie erhalten. Da die Elektronen dadurch genug Energie besitzen, um ihre Atome zu verlassen, wird ein Strom induziert. Da wir die Energie eines Elektrons des Stromflusses mit E=q*U ausrechnen können, müssen wir die Spannung U ermitteln. Dafür gibt es unterschiedliche Methoden, wir verwenden hierfür die Gegenfeldmethode. Dabei wird ein elektrisches Feld dem des Fotostroms entgegengesetzt. Durch ein Potentiometer kann die Stärke des Feldes reguliert werden. Das Ziel dieser Methode ist ein Feld zu erzeugen, das im Betrag dem des Fotostroms entspricht. In diesem Zustand kommt der Stromfluss zum Erliegen, was wir über den Messverstärker ermitteln können. Allerdings liefert uns der Stromfluss nicht die Energie der Photonen, sondern nur die Intensität des Lichts: I=q/t q=n*e n Anzahl der Elektronen/Photonen n/t=i/e Um die Energie zu ermitteln, muss mittels der Gegenspannung der Fotostrom kompensiert werden. Man regelt die Stärke des Feldes mit Hilfe des Potentiometers so, dass I=0A wird, (siehe Bild 2.2.1), dann ist die Spannung der beiden Felder gleich. Über das Spannungsmessgerät wird nun die gemeinsame Spannung abgelesen. Dies sollte man für das Licht verschiedener Farben (Frequenzen) wiederholen. 7

8 2.5 Auswertung Die Energie der Photonen und Elektronen lässt sich mit den Messwerten errechnen und durch Gleichsetzen die Formel nach dem Planck schem Wirkungsquantum umstellen. Dieses Ergebnis stellt eine gute Nährung an h L=6,626*10-34 Js dar. Fehlerbetrachtung: Systematische Fehler: - Beleuchtung der Photozelle mit einem Spektrum - Vernachlässigung des zweiten, stark ausgeprägten Gelbspektrals Zufälliger Fehler: - weitere Lichtquellen (Sonne, Raumbeleuchtung) - ungenaue Einstellung der Nullwerte (I=0) 8

9 3. Umkehrung des lichtelektrischen Effekts in Leuchtdioden 3.1 Geschichte der Leuchtdioden 3.2 Aufbau von Leuchtdioden 3.3 Wirkungsweise 3.4 Experiment mit eigener Experimentiervorrichtung Kennlinien und Frequenzen der Leuchtdioden Aufbau Durchführung Auswertung 3.5 Vorteile und Nachteile von Leuchtdioden 9

10 3.1 Geschichte der Leuchtdioden Im Jahre 1907 wurde die Lichterzeugung an Festkörpern durch elektrische Anregung beobachtet. Allerdings wurde dieses Phänomen nur bei Siliciumcarbid mithilfe von Radiodetektoren erforscht und deshalb nicht weiter beachtet. Die Lichtemission wurde 1921 erst wieder von O.V. Lossew entdeckt. Dieser untersuchte das Phänomen genauer und fand heraus, dass man die neuartigen Lichtquellen mit einem Drehspiegel kombiniert zur Nachrichtenübertragung nutzen kann fand G. Destriau an Zinksulfid einen ähnlichen Leuchteffekt. Erst 1951 konnte die Lichtemission in der Theorie halbwegs vernünftig mit Hilfe der Erkenntnisse der Halbleiterphysik erklärt werden. In den Jahren 1952 bis 1961 versuchten Wissenschaftler den Destriau-Effekt bei flachen Bildschirmen zu nutzen und somit die Kathodenstrahlröhren zu ersetzen gelang es einen Mischkristall aus Galliumarsenid und Galliumphosphid für die LED- Technologie herzustellen und damit begann die LED- Entwicklung erst richtig. 10

11 3.2 Aufbau von Leuchtdioden Der LED-Chip besteht immer aus verschiedenen dotierten Halbleiterschichten, einer n-dotierten Grundschicht und einer p-dotierten Schicht, die aber vergleichsweise sehr viel dünner ist als die n-schicht. Bild Aufbau eines möglichen LED-Chips Bild Schematischer Aufbau einer LED 11

12 3.3. Wirkungsweise Elektronen wandern bei Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung vom n-leiter zum p- Leiter. Dabei werden die Elektronenlöcher besetzt und die Dotierungselektronen erhöhen das Energieniveau der Dotierungsatome. Um auf den Grundzustand zurückzufallen wird ein Photon abgegeben. Durch die sehr dünne Schicht gelangt dieses Lichtquant auch aus der Oberfläche heraus. Man sieht die LED leuchten. Die Farbe des Lichtes hängt von der Dotierung ab. Genauer davon, wie viel Energie das Dotierungsatom wieder in Lichtenergie umwandeln muss, um in seinen Grundzustand zurück zu gelangen. 12

13 3.4 Experiment mit eigener Experimentiervorrichtung Frequenzen und Kennlinien der Leuchtdioden Um genaue Berechnungen durchzuführen, mussten wir als erstes die Wellenlänge/Frequenz der Dioden bestimmen. Auf Grund der geringen Leuchtkraft erwies sich dies mit dem Verfahren aus dem Physikunterricht der Sekundarstufe I als schwierig. Also wollten wir die Werte mit Hilfe von einem Spektroskop bestimmen. Nach kurzer Suche fanden wir einen günstigen Bausatz 2, der uns die Lösung des Problems versprach. Das Spektroskop benötigt nur ein Beugungsgitter zur Spaltung des Lichts in die einzelnen Spektrallinien. Durch die Beugung kommt es zu einer optischen Täuschung, die das verschiedenfarbige Licht durch unterschiedliche Teile der Skala scheinen lässt. Beugungsgitter Skala Bild Mit dem Spektroskop bestimmten wir die Wellenlänge des Lichts der Leuchtdiode: Farbe rot gelb/orange grün blau λ in nm f in Hz 4,8 5,0 6,0 6, Bild von: 13

14 Die Schaltung zur Bestimmung von Kennlinien bei Dioden: Bild U in V I rot in ma I gelb in ma I grün in ma I blau in ma 0,5 0,05 0,05 0,05 0,05 1,0 0,1 0,1 0,1 0,1 1,5 0,15 0,15 0,15 0,15 1,6 0,2 0, ,7 0,6 0, ,75 1,25 1,5 0,175 0,175 1,8 2,3 2, ,2 0,2 2, ,25 0,225 2, ,5 1,5 2, ,0 2,75 I in ma 3 2,75 2,5 2,25 2 1,75 1,5 1,25 Blau Rot Gelb Grün 1 0,75 0,5 0, ,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 U in V 4 Bild von: 14

15 3.4.2 Aufbau Zur vereinfachten Arbeit haben wir eine komplexe Vorrichtung für die Leuchtdioden gebaut. Diese kann genutzt werden, um eventuelle Fehler auszuschließen, die durch das Einspannen der einzelnen LEDs entstehen können. Es muss nur noch die Verbindung zum Pluspol der Spannungsquelle umgesteckt werden, um die LED zu wechseln. Auch ein Schutzwiderstand von 100Ω ist enthalten, um Schäden zu vermeiden. Es sollte trotzdem nicht mit Spannungen von über 3-4V gearbeitet werden, da dies die Lebensdauer erheblich senken kann. Die LEDs, die wir verwendet haben, besitzen einen klaren Kopf, um besser zu verdeutlichen, dass die Farben durch den inneren lichtelektrischen Effekt zustande kommen. 15

16 3.4.3 Durchführung Der regelbare Widerstand von 220 Ω wird auf den maximalen Wert geregelt und die zu untersuchende LED mit dem Schleifkontakt des Potentiometers verbunden. Danach wird eine Spannung von 3V angelegt und der regelbare Widerstand für den Arbeitskreis verringert. Der am Spannungsmessgerät angezeigte Wert steigt und ab einem bestimmten Punkt beginnt die LED zu leuchten, dieser Punkt wird gemessen. Dies wird für alle LEDs wiederholt (siehe auch Bilder ). Farbe rot gelb grün blau U G in V 1,4 1,5 1,9 2,1 16

17 3.4.4 Auswertung Wenn wir die in Punkt 2.5 hergeleitete Gleichung einsetzen, erhalten wir wieder einen Wert für das Plancksche Wirkungsquantum, der dem Literaturwert fasst genau entspricht Damit ist nachgewiesen, dass es sich hierbei um eine weitere Wechselwirkung zwischen den Hüllelektronen und Photonen handelt und die Farbe des Lichtes nur vom stofflichen Aufbau der Leuchtdiode abhängt. 17

18 3.5 Vor- und Nachteile von LEDs Vorteile: - kein Quecksilber enthalten - geringe Wärmeentwicklung - geringer Energieverbrauch - UV-Strahlung kann ausgeschlossen werden - kein Hohlkörper, der implodieren kann - unanfällig gegenüber äußeren Einflüssen Nachteile: - Schwermetalle sind enthalten - geringe einzelne Leuchtkraft - hohe Kosten bei Platinenentwicklung - noch sehr hoher Energiebedarf bei der Herstellung - können nicht an Netzspannung angeschlossen werden 18

19 4. Anhang 4.1 Quellen 4.2 Bilder 4.3 Selbstständigkeitserklärung 19

20 4.1 Quellen Metzler Physik, herausgegeben von Joachim Grehn und Joachim Krause, erschienen im Schroedel Verlag Formeln und Tabellen, paetec Verlag

21 4.2 Bilder Bild Strahlengang Bild Grundaufbau Bild Verstellen des Potentiometerwertes Bild U gelb=0,48v Bild I gelb=2,7*10-11 A Bild I grün=5,5*10-11 A 21

22 Bild U gelb=0,48v Bild I gelb=2,7*10-11 A Bild Bild grüne LED Bild blaue LED Bild gelbe LED (unten links) Bild Schematischer Aufbau einer LED Bild Beispiel für den Aufbau eines möglichen LED-Chips 22

23 4.3 Selbstständigkeitserklärung Wir versichern, dass wir zur Ausarbeitung dieser besonderen Lernleistung keine weiteren als die oben genannten Quellen verwendet haben. Jessen, den Florian Kantelberg Michael Winkler 23