Энергия фотонов из светодиода

[EUgeneUS]

Xey в сообщении #1298770 писал(а):

Т.е. недостаток энергии сменился избытком.

Не сменился. Вопрос был про свечение при $1.6 V$.
Да, оказалось, что при номнальном режиме падение больше. Но и при $1.6 V$ светится, хотя и весьма тускло, особенно при сравнении с яркостью при номинальном токе.

[SVD-d]

Какая нагрузка в цепи? Сколько падение напряжение на ней?

[EUgeneUS]

SVD-d в сообщении #1298754 писал(а):

Ну как, высвечивать? ...

Не буду оспаривать Ваши оценки. Но факт остаётся фактом: кристаллы красных светодиодов имеют красный цвет, еще на советских в металлическом корпусе с прозрачной линзой заметил (АЛ102, если склероз не изменяет).
Возможно, "пересвечивает" в красный падающий свет.

-- 21.03.2018, 14:16 --

SVD-d в сообщении #1298778 писал(а):

Какая нагрузка в цепи? Сколько падение напряжение на ней?

Опыт начался с простого.
Есть китайский тестер с режимом проверки диодов. Но в этом режиме он показывает не сопротивление, как обычно, а падение напряжения.
Вот на нём и было замечено, что падение $1.6 V$, и светодиод светится, гораздо тусклее, конечно, чем при номинальном токе (у него $600-700 mA$), но своим "родным" красным цветом. Тут же проверили другим тестером, тот тоже показал падение $1.6 V$. Ток не измерялся, думаю, что-то около единиц мА.

[SVD-d]

Думаю, да, красным он видится в отражённом свете. Вы же на него не в темноте смотрите... А коэффициент поглощения у полупроводников максимален как раз вблизи ширины запрещённой зоны.

Ммм... В режиме проверки диодов цифра на тестере может быть ограничена напряжением батарейки, которая стоит внутри тестера. Так, я сейчас взял два светодиода: 660 и 365 нм и проверил своим, не менее китайским. Получилось 0.68 и 0.72 В соответственно.

Всё-таки, давайте по правилам. Какая нагрузка у вас в цепи, сколько выдаёт источник, что покажет вольтметр при измерении напряжения на нагрузке и на светодиоде?

[EUgeneUS]

SVD-d в сообщении #1298785 писал(а):

Так, я сейчас взял два светодиода: 660 и 365 нм и проверил своим, не менее китайским. Получилось 0.68 и 0.72 В соответственно.

А они при этом светятся (заметно глазом)?
Понятно, что тестеры и Ваш, и мой, показали какую-то точку на ВАХ диода, ниже (по напряжению и току) номинала.

SVD-d в сообщении #1298785 писал(а):

Какая нагрузка у вас в цепи, сколько выдаёт источник, что покажет вольтметр при измерении напряжения на нагрузке и на светодиоде?

Можно же просто сказать, диод питается источником тока. Достаточно двух чисел: падение напряжение на диоде (оно известно и проверено другим тестером) и ток через него. Ток не измерялся, измерю, как будет возможность, не сегодня.

Некоторые пояснения про тестеры.
1. Есть тестер в режиме пробника диодов, его подключаем к диоду. Этот тестер подает какой-то ток на диод и показывает падение напряжения.
2. Есть второй тестер, он в режиме вольтметра, при подключенном первом измеряем тестером-вольтметром падение напряжение. UPD: То есть это та же самая точка на ВАХ, просто вторым тестером проверяем показания первого.
Числа сходятся до второго знака после запятой.

[SVD-d]

Хрень какая-то.
Взял чуть боле мощный тестер в режиме прозвонки диодов. Такой чтобы светодиод светился. Подключаю к светодиоду 530 нм. Энергия 2.34 эВ. Тестер ничего не показывает: батарейки ему для этого не хватает. Но я параллельно подключил вольтметр и вижу на светодиоде падение 2.25 В.
Беру светодиод 660 нм, на нём и первый и второй тестер показывают 1.8 В при должных 1.87.
Беру светодиод 625 нм. На нём те примерно те же 1.9 В при нужных 2.
Могу предположить, что источник питания в тестере работает в каком-нибудь странном режиме, когда он периодически выключается или меняет напряжение крупными ступеньками, из-за чего напряжение часто меняется, а когда прибор всё это суммирует и усредняет, получается что-то чуть меньшее чем положено.

Или быть может стоит провести измерение в темноте, чтобы светодиод не работал как солнечная батарейка. Не могу быстро сообразить, к чему приведёт включение такой батарейки в цепь тестера.

[EUgeneUS]

SVD-d
Про измерения.

Тестер, который в режиме проверки диодов - an8009

Данные измерений:
1. Диод "3 Вт" 660 нм, о котором шла речь выше. Падение напряжения 1.6 В, ток 0.850 мА.
2. Другой диод "3 Вт", внутри синий светодиод (частично "пересвечивает" синий свет в красный через люминофор, но это не важно). Падение напряжения 2.49 В, ток 0.355 мА

Ток измерялся другим тестером, совсем китайским , типа M-838, в режиме измерения токов, конечно.

Номинальные токи у обоих светодиодов 500-700 мА.

[Xey]

EUgeneUS в сообщении #1298772 писал(а):

при $1.6 V$ светится, хотя и весьма тускло

Видимо дело в уширении линий. В твердых телах вообще получаются полосы.

Длины волн излученных фотонов находятся в пределах полосы. Чем дальше от центра , тем меньше фотонов.

[EUgeneUS]

SVD-d
UPD: исходя из описанных выше точек измерения, можно предположить, что an8009 в режиме проверки диодов подключает последовательно сопротивление 1.8 кОм. И измеряет падение напряжения на тестируемом элементе.

Для проверки предположения нужна третья точка, которой (пока) нет.

[amon]

SVD-d в сообщении #1298754 писал(а):

Давайте оценим, а amon не даст соврать.

Не соврали. Равновесное тепловое излучение всех тел, как известно, одинаково (иначе можно построить вечный двигатель второго рода). Поэтому

SVD-d в сообщении #1298785 писал(а):

Думаю, да, красным он видится в отражённом свете. Вы же на него не в темноте смотрите... А коэффициент поглощения у полупроводников максимален как раз вблизи ширины запрещённой зоны.

абсолютно верно. Люминофор эффективно может перерабатывать только короткие волны в длинные. Наоборот тоже возможно, но очень не эффективно. Диоды на 660 нм скорее всего GaAlAs, и никакого люминофора на них нет. Напряжение измерять лучше всего старым добрым стрелочным тестером или специально обученным диодным характериографом, иначе можно много интересного намерить.

[EUgeneUS]

amon в сообщении #1298849 писал(а):

Напряжение измерять лучше всего старым добрым стрелочным тестером или специально обученным диодным характериографом, иначе можно много интересного намерить.

А какие могут возникнуть проблемы при измерении постоянного напряжения\тока?

(Стрелочным тестером)

удобно измерять переменное напряжение, причем не синусоидальное. Так как из-за усреднения на электромеханической системе получаем автоматом действующее напряжение для любой формы сигнала.

[SVD-d]

Два пункта.

Во-первых, измерил 660 нм ($E_{g} = 1.87$ эВ). Приложил напряжении 1.7 В. Осциллограф не показывал никаких отклонений от постоянного сигнала. Это значит, что измеренное напряжение в точности соответствует приложенному.

Во-вторых, это ровно никак не влияет на закон сохранения энергии. Почему - сейчас расскажу.

Напряжение, которое необходимо приложить к светодиоду для того чтобы тот начал светиться, зависит в общем случае от уровней ферми в узкозонной и широкозонной области, от того как расположены друг относительно друга разрешённые зоны и уровни вакуума, от того, какое было настроение у того, кто эти светодиоды готовил, от того, сколько там потенциальных барьеров - и так далее. Это напряжение может быть меньше ширины запрещённой зоны узкозонного материала, а может быть больше (так чаще всего и бывает). Если оно окажется равным, то только в результате забавного совпадения. Да и не должно быть равным.

В области гетероперехода уже есть изгиб зон и потенциальный барьер, поэтому единственное, что делает приложенное напряжение - это тащит носители к области барьера, где они соберутся и начнут рекомбинировать. В ходе рекомбинации пары будут испускать фотоны с длиной волны равной ширине запрещённой зоны, просто потому что никакую другую они не выдадут. Ну там плюс-минус $kT$, но это не считается.

Пусть светодиод уже вышел на линейный участок ВАХ, но пока не достиг номинального напряжения. На нём не столько вольт, как положено, а процентов на десять меньше. Но потенциальный барьер для электронов уже есть, и дырки мимо него пролетают, так что рекомбинация идёт. Она излучательная, потому что почему бы и нет, но вероятность её на порядок меньше, чем положено: носителей меньше из-за меньшего тока, плюс концентрация размазана на потенциальную яму большей ширины, а сама вероятность зависит от концентрации квадратично. Носители уносят энергию равную ширине запрещённой зоны, а приносят меньше. Если бы вероятность излучательной рекомбинации была 100%, то светодиод бы охлаждался. Но она не 100%, так что всё хорошо.

Куда девается избыток энергии, полученный в результате безызлучательной рекомбинации? Он идёт на нагрев решётки. Постоянно идёт термический заброс электронов в зону проводимости, откуда они потом снова сваливаются в валентную зону с излучением фотона.
Так и живём.

-- 22.03.2018, 13:19 --

Да, и пока не забыл. Сто процентов излучательной рекомбинации вы получить никогда не сможете. Поэтому сам вопрос "что бы было, если бы вероятность излучательной рекомбинации был 100%" лишён смысла в той же степени, что и "как поведёт себя нерастяжимая нить в СТО".
Даже сделав бездефектный и беспримесный кристалл, вы в лучшем случае уменьшите вероятность рекомбинации на глубоких центрах. А вот Оже-рекомбинация будет всегда, и чем больше инжекция носителей, тем больше её вероятность. И зависит она только от концентрации носителей, никакой очисткой её вы не уберёте.

[Xey]

https://vunivere.ru/work2647/page3
660 это только центр.

[EUgeneUS]

SVD-d

Да, всё так. Именно такая картина в конце концов и сложилась с Вашей помощью и (несколько ранее) помощью уважаемого amon.

Что-то подобное подозревал:

EUgeneUS в сообщении #1298381 писал(а):

Если запретить 100% квантовый выход ("идеальный светодиод"), то всё сходится.

Кроме того, в книге Абакумов В.Н., Перель В.И., Яссиевич И.Н. "Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках" в Главе 11. "Оже-рекомбинация" нашел такие слова:

Цитата:

Коэффициенты $\gamma_n$ и $\gamma_p$ являются фундаментальными характеристиками, определяющими минимально возможные скорости безызлучательной рекомбинации. Они зависят от энергии рекомбинирующих частиц, то есть от температуры при максвелловским распределении носителей...

И 100-процентный квантовый выход превращается в тыкву "нерастяжимую нить в СТО".

-- 22.03.2018, 13:57 --

Xey

Да, свет от светодиода не монохроматичный.
Теоретическое распределение не симметричное, а несколько перекошенное: ноль в $E_g$, потом пик в $E_g + kT/2$, и хвост в коротковолновую область.

[amon]

(Оффтоп)

EUgeneUS в сообщении #1299034 писал(а):

Теоретическое распределение не симметричное, а несколько перекошенное: ноль в $E_g$, потом пик в $E_g + kT/2$, и хвост в коротковолновую область.

Если опять вспомнить того, кто в деталях, то выяснится, что из-за электрон-фононного и кулоновского взаимодействия в реальных спектрах и красный хвост спектра залезает ниже $E_g,$ и пик несколько в другом месте.