Energie fotonu - Budeme se zabývat pouze a jedině zdroji pro optické komunikace, to znamená led a laser

Energie fotonu
je dána pouze a jedině jeho kmitočtem (kmitočtem toho fotonu).
W = f * h
W – energie
f – kmitočet
h – Planckova konstanta
hvězdička mezi – násobení
Planckova konstanta se většinou značí jako h přeškrtnuté, někde si to najděte, já to neumím napsat.
Nyní si vypočteme tabulku
barva
|
vlnová délka
|
kmitočet Hz
|
energie J
|
energie eV
|
|
1310 nm
|
|
|
|
|
1550 nm
|
|
|
|
|
1620 nm
|
|
|
|
R
|
|
|
|
|
G
|
|
|
|
|
B
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jen hezky počítejte ! výsledkem je energie fotonu v elektronvoltech , mělo by to vyjít nějaké jednotky eV
Dále na diodu přivedeme napětí v propustném směru. Protože teď už krystal není v rovnováze, posunou se Fermiho hladiny o hodnotu e * U
posuv = e * U
e – náboj elektronu
U – napětí na přechodu
hvězdička – násobení
Na obrázku to máte okótováno jako „posuv“
Posuv je samozřejmě energie, je to na svislé ose.
Na dalším obrázku jsem vám opět vybarvil pásy v oblasti přechodu. Vidíme, že když elektron přechází z oblasti N do P, má stále stejnou energii. Nic mu tedy nebrání přejít přes přechod, no a dioda vede.
Budeme si nyní myslet, že máme křemíkovou diodu. Hladina donorů je skoro u vodivostního pásu, hladina akceptorů je skoro u valenčního pásu. Pokud má dioda vést proud, musí být oba pásy v polovodiči N i P téměř vyrovnány. To ale znamená, že posuv Fermiho hladin má téměř hodnotu zakázaného pásu pro křemík. Tak, a teď vypočtěte hodnotu napětí na diodě v propustném směru ! Jako myslím opravdu vypočtěte , tedy dosaďte do výše uvedených vztahů a vypočtěte U . Nevyjde vám úplně přesně to, co je v katalogu, ale skoro.
Pokračujeme dále. Pokud je dioda v propustném směru, je na polovodiči N záporný pól a na polovodiči P kladný pól. Je tam tedy elektrostatické pole, které žene elektrony z oblasti N do oblasti P. Elektronu nic nebrání v pohybu – je ve vodivostním pásu, to znamená, že se urval z vazby a toulá se materiálem. Z pásmového modelu vidíme, že po cestě nemusí měnit energii, takže prostě běží do oblasti P. Ale v oblasti P číhají díry. Díra je místo, které má kladný náboj. Díra tedy elektron přitáhne. Elektron se zapojí do vazební slupky, začne obíhat v orbitu kolem jádra, a tím ztratil energii. Na obrázku se to znázorní tím, že elektron „spadne“ z vodivostního pásu do valenčního. Vy si ale stále opakujte: tady elektron ztratil energii. Možná si teď řeknete: no ale tak po nějaké době elektrony zaplní všechny díry v oblasti P, a tím polovodič mizí ! To ale není pravda, protože polovodič P je připojen na zdroj, který elektrony neustále odcucává. A tím vyrábí nové díry.
Obdobně se dá nakreslit pohyb děr, ty zase putují z P do N , jsouce taženy elektrickým polem. Ale díry fakt moc neumím, ask google. A hlavně, nám to dál bude jedno.
Žlutá – cesta elektronu (na vodorovné ose je poloha v krystalu) . Červená – snížení energie elektronu. V tomto místě elektron mizí z vodivostního pásu, tedy se přestává toulat krystalem, protože ho shltla nějaká díra. A projeví se to snížením jeho energie.
Energie, kterou elektron ztratil, se samozřejmě musí někde projevit. Buď tím, že se krystal ohřeje (to nejčastěji) , nebo tím, že se promění ve foton. A energie fotonu přímo udává jeho kmitočet, tedy vlnovou délku.
A my si to teď spočítáme ! Úvaha je stejná jako u usměrňovací diody: donorová a akceptorová hladina jsou blízko u valenčního a vodivostního pásu, takže ten rozdíl jde zanedbat. Fermiho hladiny jsou posunuty, takže jejich posuv skoro odpovídá šířce zakázaného pásu. Posuv Fermiho hladin odpovídá napětí v propustném směru. Výpočet tedy půjde tímto směrem: Barva světla – energie fotonu – šíře zakázaného pásu – posuv Fermiho hladin – napětí na přechodu v propustném směru . Tabulku si klidně udělejte v Excelu nebo tak nějak, asi budete potřebovat ještě kmitočet, ale poradíte si. Najděte si také nějaké LED a podívejte se na jejich napětí. Nevyjde to přesně, ale jakžtakž ano.
barva
|
vlnová dél.
|
energie
|
napětí vypočtené
|
napětí z katalogu
|
R
|
|
|
|
|
G
|
|
|
|
|
B
|
|
|
|
|
Ještě jedna poznámka - materiál na LED je GaAS a podobné, takže zakázaný pás má samozřejmě jinou šířku než u Si. A vidíme, že šířkou zakázaného pásu nastavujeme kmitočet vycházejícího záření.
Protože při svícení LED elektrony zapadají do děr a ztrácejí energii dost chaoticky, tak vyráběné světlo není koherentní.
O LED si dále přečtete u Ing. Tučka na http://ozeas.sdb.cz/panska/2A/kazi/19%20Optoelektrick%25c3%25a9%20jevy.doc
je to na konci dokumentu
|