普朗克常量正在物理学中拥有额表苛重的旨趣，可遵循 LED 的光量子表面，对普朗克常量实行衡量。LED 是一种常见的半导体器件，其电学性子和光学性子容易受到温度的影响。本文诈欺自造的可调恒温器对 LED 实行控温，衡量了差异温度下 LED 的阈值电压和峰值波长。实习声明，跟着 LED 温度的升高，其阈值电压低重，同时峰值波长红移。基于光量子表面，进一步对 LED 的阈值电压和峰值波长实行数据统治，将阈值电压和频率做直线拟合，从拟合直线的斜率获得普朗克常量。

　　普朗克常量是物理学中极其苛重的一个常量，它是合联物质的粒子性与摇动性的苛重参数，是量子宇宙和可观衡量子效应的根基象征。它的精准测定看待质地计量的物理基准修造、量子效应周详衡量趁早期宇宙大爆炸物理性子咨议等都有苛重旨趣[1]。尤其是正在第 26 届国际计量大会上，基于普朗克常量从新界说了质地的单元千克，象征着国际单元造悉数进入量子化时期[2]。衡量普朗克常量的格式首要有：光电效应格式[3]，遵循爱因斯坦光电效应方程，通过衡量截止电压和入射光频率之间的线性合连来估计普朗克常量；黑体辐射格式[4]，遵循黑体辐射强度的频率散布，实行认识后可通过玻耳兹曼常数估计得出普朗克常量；玻尔表面格式[5]，遵循玻尔的氢原子表面，通过衡量原子跃迁时辐射出光子的波长，并确定光子跃迁前后的能级，即可得出普朗克常量。别的再有：量子霍尔效应格式[6]、基布尔秤衡量格式[7]、电压天均衡量格式[8]等。此中，诈欺光电效应衡量普朗克常量是大学物理实习中额表经典的格式。然而，光电管中的暗电流等成分会对衡量结果爆发影响。正在文件[9]和文件[10]中，提出了基于 LED 的伏安性子及光谱性子衡量普朗克常量的格式。该格式采用单色 LED，元器件容易取得，价值低廉，操作简略便利。通过衡量 LED 的阈值电压和峰值波长，获得普朗克常量。然而结果声明，正在 LED 发光发烧的进程中，会导致阈值电压和峰值波长的漂移，酿成普朗克常量的衡量结果差错较大。这是由于 LED 属于电致发光器件，与古板光源的发光道理差异，古板光源通过辐射散热，然而 LED 不行通过这种方法散热，从而导致器件温度容易升高，要紧影响LED的光通量、寿命以及牢靠性，所以采用 LED 衡量普朗克常量时雷竞技RAYBET，思考温升的影响有着苛重的现实旨趣。

　　本文中，诈欺自造的可调恒温器，将差异色彩 LED 器件关闭此中，正在充足思考温升效应后，周密衡量了 LED 的伏安性子以及光谱性子，并通过对数据拟合，精准估计出了普朗克常量。

　　发光二极管的主旨是 PN 结，由含有镓、砷等物质的资料造成，是一种非线性元器件，其伏安性子与普通的二极管类似。当对 LED 表加反向电压时，唯有微安量级的反向电流；当反向电压进步击穿电压时，LED 被击穿损坏。当 LED 的表加正向电压低于阈值电压时，LED 不导通，简直没有电流恒温器，也不发光；当 LED 的表加正向电压高于阈值电压时，LED 内的电子和空穴复合，同时以辐射光量子的样子开释能量。

　　遵循 LED 的光量子表面，电子和空穴复当令，电场力对电子做的功 W=eUth，辐射出的光量子的能量 E=hν，正在不计能量耗费的处境下，电场力对电子做的功通盘转化为光量子的能量 W=E，由此可得 hν=eUth，即 h=eUth/ν，此中，e 为电子的电荷量，Uth为 LED 的阈值电压，h 为普朗克常量，ν 是光量子的频率。再遵循光速 c 和波长 λ、频率 ν 的合连c=λν，可得普朗克常量的估计公式为

　　由此可见，精准衡量出 LED 的阈值电压 Uth 和波长 λ 是估计普朗克常量 h 的枢纽。但值得留心的是，温度蜕变会影响 LED 的伏安性子、波长、光通量、照度、寿命以及牢靠性等。正在电流必然时，温度越高，LED 的电压越低。别的，温度升高还会导致 LED 发光红移。这些都邑影响普朗克常量衡量结果的切确性。所以，看待现实劳动中的 LED 器件，必需思考温度对器件电学和光学性子的影响。衡量差异温度下，LED 的阈值电压和峰值波长，得出阈值电压和发光频率的线性合连，从拟合直线的斜率估计出普朗克常量。

　　采用单色 LED、利利普 AG1022 信号爆发器、固纬 GDM-8341 数字万用表、港东 WGD-5 型多效力光栅光谱仪、自造可调恒温器搭修普朗克常量衡量装配，如图 1 所示雷竞技RAYBET。实习当选用 1W 的 LED 灯珠，蓝光 LED 的劳动电压约为 3V，额定电流约为 350mA；红光 LED 的劳动电压约为 2V，额定电流约为 350mA。选用脉冲电源，正在较幼占空比的脉冲直流驱动下，LED 芯片温度无法升高且近似等于温控室温度[11]。正在衡量进程中，LED 永远置于恒温箱内。将 LED 的正向电压由零入手怠缓增大，纪录相应的电压和电流，可获得差异温度下的 LED 伏安性子弧线。正在伏安性子衡量电道中，选用数字万用表的直流电压 5V 挡，判袂率为 0.1mV；直流电流 500mA 挡，判袂率为 0.01mA。光栅光谱仪的波长扫描畛域为 200.0~800.0nm，扫描间隔 0.1nm。正在差异温度下测出 LED 的峰值波长。

　　本实习的控温装配是诈欺废旧仪器改造而成的。诈欺固体导热系数衡量仪，打算造造可调恒温器。将实习室镌汰报废的老旧开发实行改造，用于物理实习口舌常故旨趣的。跟着科学手艺的延续开展，有的仪器开发因机能不良或产物更新换代而被镌汰，有的仪器开发因年久失修零件老化、到了操纵的年限而报废。正在教学型实习室中，这些镌汰或报废的仪器数目跟着经济社会的开展逐年增加。固然这类仪器开发被镌汰或报废，但它们正在实习教学中仍多余热可能施展，充足诈欺这些废旧仪器开发，也许正在培育学生的更始心灵和更始才略方面起到很大的功用。

　　固体导热系数衡量仪，因仪器到达操纵年限，开发老化机能不良，且已有新型智能产物对其更新换代而被镌汰。固然该仪器曾经不行结束原本的实习教学使命，然而仪器中的加热装配已经是可能操纵的。对该开发中的加热装配实行再诈欺，增进了定造的亚克力板和保温盒，自造了可调恒温器。自造可调恒温器席卷上下两部门，上方恒温箱，下方温度管造仪。被测 LED 置于上方恒温箱内，恒温箱内安放温度传感器，通过下方的温度管造仪实行调控，告终恒温前提。正在恒温箱侧壁开一幼孔，可能通过幼孔旁观 LED 的发光处境，也可能通过幼孔透出的光，用光栅光谱仪衡量 LED 的波长。温度管造仪位于恒温箱下方，由定造的亚克力板举动仪器盒，内部置有加热电源、温差电偶等元件，仪器盒正面的面板树立数字温度显示屏。改造结束的自造可调恒温器如图 2 所示，控温方法为铂电阻温度传感器 PID 控温，控温区间为室温约 110.0℃，控温精度为 0.1℃。

　　正在本实习中，将 LED 置于自造可调恒温器内管造温度，衡量 LED 正向伏安性子。为便于认识，本文以 10.0℃ 为间隔，衡量了从 30.0~90.0℃ 畛域内 LED 的电流和电压，绘造出各温度下的伏安性子弧线(a)是蓝光 LED 正在差异温度下的伏安性子弧线。同样的格式，衡量了红光 LED 从 30.0~90.0℃ 畛域内的电流和电压，绘造出各温度下的伏安性子弧线(b)是红光 LED 正在差异温度下的伏安性子弧线。

　　从图中可能看出，LED 的伏安性子弧线跟着温度的升高而向低压偏移，注解阈值电压低重。正在差异电流下的电压随温度升高而减幼的幅度有所差异，当电流斗劲幼时，电压随温度升高而减幼的幅度较幼，当电流斗劲大时，电压随温度升高而减幼的幅度较大。这是由于，当 LED 导通后寻常发光时其内阻简直可能疏忽不计，而且 I-U 数据拥有精良的线性合连，所以诈欺这段劳动区的弧线蜕变趋向可能确定 LED 正指引通的阈值电压。

　　采用 LED 伏安弧线劳动区的电流和电压数据实行直线拟合，拟合出的直线与横轴的交点即为阈值电压。以蓝光 LED 正在温度为 30.0℃ 时的伏安性子弧线 所示。采用电流 I≥200.00mA 的数据点，对其实行直线拟合，拟合出的直线与横轴的交点即为阈值电压。同样的格式，采用温度为 40.0~90.0℃ 时蓝光 LED 伏安弧线劳动区的电流和电压的数据，分手实行直线拟合，求出相应温度下的阈值电压。表 1 给出了 30.0~90.0℃ 蓝光 LED 的阈值电压。图 5(a)给出蓝光 LED 阈值电压随温度的蜕变弧线。从图中可能看出雷竞技RAYBET，跟着温度的升高，LED 的阈值电压逐步低重。

　　用光栅光谱仪衡量 LED 的峰值波长。将蓝光 LED 置于自造可调恒温器内，管造温度为 30.0℃，通过恒温箱侧壁的出光孔，旁观 LED 的发光处境，用光栅光谱仪实行波长扫描，衡量出蓝光 LED 正在 30.0℃ 时的峰值波长。同样的格式，可获得 40.0~90.0℃ 时蓝光 LED 的峰值波长。表 1 给出了 30.0~90.0℃ 时蓝光 LED 的峰值波长。图 5(b)给出蓝光 LED 峰值波长随温度的蜕变弧线。从图中可能看出，跟着温度的升高，LED 的峰值波长爆发红移。

　　进一步，采用差异温度下红光 LED 伏安弧线劳动区的电流和电压的数据，分手实行直线拟合，求出相应温度下的阈值电压。表 1 给出了 30.0~90.0℃ 红光 LED 的阈值电压。图 5(a)给出红光 LED 阈值电压随温度的蜕变弧线。从图中可能看出，红光 LED 的阈值电压跟着温度的升高逐步低重。用光栅光谱仪衡量差异温度下红光 LED 的峰值波长。

　　表 1 给出了 30.0~90.0℃ 红光 LED 的峰值波长。图 5(b)给出了红光 LED 峰值波长随温度的蜕变弧线。从图中可能看出，红光 LED 的峰值波长跟着温度的升高爆发红移。

　　遵循衡量获得的差异温度下的阈值电压，以及差异温度下的峰值波长，将相似温度下的阈值电压和峰值波长逐一对应起来。并将波长、频率和光速的合连 ν=c/λ，代入公式（1），可得阈值电压和频率呈线性合连，其表达式为

　　基于 LED 的光量子表面衡量了普朗克常量，思考温度的蜕变会酿成 LED 的阈值电压和峰值波长漂移，通过衡量差异温度下 LED 的伏安性子弧线，得出了阈值电压随温度的蜕变弧线，以及峰值波长随温度的蜕变弧线。结果声明，跟着温度的升高，LED 的阈值电压低重，同时峰值波长红移。对 LED 正在差异温度下的阈值电压和频率拟合直线，从拟合直线的斜率精准获得了普朗克常量。结果声明，思考温升对 LED 的阈值电压和峰值波长的影响，可使普朗克常量的估计结果越发切确。

　　但值得留心的是，实习中 LED 的电能并没有统统转化为光能，总会有部门热能爆发，衡量也存正在着必然的差错。

　　[3]白光富，袁升，马泽斌，等. 光电效应测普朗克常数新数据统治格式[J].物理与工程，2013, 23(3):4-8.

　　[4]徐代升，王元樟. 基于图形的黑体辐射三大根基定律合连论说[J].物理与工程，2012, 22(5):8-11.

　　[9]王莹，陈东生. 诈欺 LED 的量子性子打算新型普朗克常数测定仪[J]. 大学物理实习，2012, 25(3):3.

　　[10]林智国，鲍庆奔，鲁晓东. 用发光二极管的电致发光进程测普朗克常量[J]. 大学物理实习，2013, 26(1):3.

　　通信作家: 冯列峰，男，天津大学副教育，首要咨议宗旨为半导体光电子器件与物理、2D资料及器件，.cn。

　　引文花样: 陈霞，孙太宇，何宇飞，等. 基于LED的光量子表面衡量普朗克常量[J]. 物理与工程，2023，33（5）：41-45.

　　吴国祯教育：我的表洋咨议生阅历印象——应清华大学物理系“基科班20年·学宫班10年怀念营谋”而写

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