Niebieska dioda LED — energia fotonu z przerwy energetycznej
Rozszerzenie tematu fotonu i widma światła. W diodzie LED rekombinacja elektronu i dziury emituje foton o energii równej przerwie energetycznej półprzewodnika: E_g=hf=hc/λ. Większa przerwa daje foton o większej energii — barwę bliższą niebieskiej. Niebieskie LED (materiał GaN) były technologicznie bardzo trudne i umożliwiły białe światło LED (Nobel 2014).
Dam Ci barwę świecenia diody — dobierz przerwę energetyczną E_g materiału tak, by ją uzyskać (E_g = hc/λ).
Co się właśnie stało?
Zwiększyłeś przerwę energetyczną półprzewodnika. Foton powstający przy rekombinacji elektronu i dziury niesie energię równą dokładnie tej przerwie — większa przerwa oznacza foton o wyższej energii, czyli krótszą długość fali.
Energia fotonu w diodzie LED:
— energia fotonu emitowanego przy rekombinacji równa się przerwie energetycznej materiału. E_g — przerwa energetyczna (eV), h — stała Plancka, f — częstotliwość fotonu, λ — długość fali, c — prędkość światła.
Dlaczego niebieskie LED to Nobel?
Diody czerwone i zielone (małe E_g) skonstruowano już w latach 60. i 70. Niebieska wymagała materiału o dużej przerwie energetycznej i wysokiej jakości kryształu — azotku galu (GaN). Dopiero Akasaki, Amano i Nakamura opanowali w latach 90. wzrost czystych kryształów GaN, za co dostali Nobla z fizyki w 2014 roku.
Niebieska dioda dopełniła triadę RGB i — pokryta luminoforem — pozwoliła zbudować energooszczędne białe światło LED oraz ekrany, które dziś masz w telefonie.
Po co Ci to na maturze:
E_g = hf = hc/λ to ten sam związek, co energia fotonu w zjawisku fotoelektrycznym i w widmach atomowych. Chwyt: większa energia fotonu zawsze oznacza krótszą długość fali — pamiętaj o odwrotnej proporcjonalności E i λ (Optyka, Fizyka atomowa).
Zapamiętaj: większa przerwa energetyczna → foton o większej energii → krótsza fala → barwa bliżej niebieskiego/fioletu. E_g = hf = hc/λ.
Teoria i wzory
Foton z przerwy energetycznej
W diodzie LED elektron rekombinuje z dziurą i emituje foton o energii równej przerwie energetycznej półprzewodnika:
Barwa a przerwa energetyczna
Im większa przerwa , tym większa energia fotonu i krótsza fala — barwa bliższa niebieskiej:
Dlaczego niebieskie LED były trudne
Wymagały półprzewodnika o dużej przerwie (azotku galu, GaN) o wysokiej jakości. Bez niebieskiego nie dało się złożyć wydajnego białego światła LED (Nobel 2014).
Oznaczenia: — przerwa energetyczna, — stała Plancka, — częstotliwość, — długość fali, — prędkość światła.
Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.
Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.
Najczęstsze pytania
›Skąd bierze się barwa światła LED?
Z energii fotonu emitowanego przy rekombinacji elektron-dziura, równej przerwie energetycznej materiału: E_g=hf.
›Czemu niebieskie LED były trudniejsze niż czerwone?
Wymagały półprzewodnika o dużej przerwie energetycznej (azotku galu, GaN) — trudnego do uzyskania w wysokiej jakości.
›Po co potrzebne były niebieskie LED?
Do uzyskania białego światła (czerwony+zielony+niebieski) — bez niebieskiego nie było wydajnych białych lamp LED.