普朗克常量正在物理学中拥有尽头要紧的道理，可遵循 LED 的光量子表面，对普朗克常量实行丈量。LED 是一种常见的半导体器件，其电学性情和光学性情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，丈量了分歧温度下 LED 的阈值电压和峰值波长。实习标明，跟着 LED 温度的升高，其阈值电压低落，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处分，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要紧的一个常量，它是合联物质的粒子性与摇动性的要紧参数，是量子全国和可观丈量子效应的根基符号。它的精准测定对付质地计量的物理基准确立、量子效应严谨丈量赶早期宇宙大爆炸物理性情酌量等都有要紧道理[1]。独特是正在第 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，符号着国际单元造周详进入量子化期间[2]。丈量普朗克常量的本领合键有：光电效应本领[3]，遵循爱因斯坦光电效应方程，通过丈量截止电压和入射光频率之间的线性干系来预备普朗克常量；黑体辐射本领[4]，遵循黑体辐射强度的频率漫衍，实行阐述后可通过玻耳兹曼常数预备得出普朗克常量；玻尔表面本领[5]，遵循玻尔的氢原子表面，通过丈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。别的另有：量子霍尔效应本领[6]、基布尔秤丈量本领[7]、电压天平丈量本领[8]等。此中，诈欺光电效应丈量普朗克常量是大学物理实习中尽头经典的本领。可是，光电管中的暗电流等身分会对丈量结果发生影响。正在文件[9]和文件[10]中，提出了基于 LED 的伏安性情及光谱性情丈量普朗克常量的本领。该本领采用单色 LED，元器件容易获取，价值低廉，操作纯洁容易。通过丈量 LED 的阈值电压和峰值波长，获得普朗克常量。可是结果标明，正在 LED 发光发烧的历程中，会导致阈值电压和峰值波长的漂移，形成普朗克常量的丈量结果偏差较大。这是由于 LED 属于电致发光器件，与守旧光源的发光道理分歧，守旧光源通过辐射散热，可是 LED 不行通过这种体例散热，从而导致器件温度容易升高，急急影响LED的光通量、寿命以及牢靠性，是以采用 LED 丈量普朗克常量时，研讨温升的影响有着要紧的实践道理。

　　本文中，诈欺自造的可调恒温器，将分歧色彩 LED 器件封锁此中，正在充盈研讨温升效应后，具体丈量了 LED 的伏安性情以及光谱性情，并通过对数据拟合，精准预备出了普朗克常量。

　　发光二极管的中央是 PN 结，由含有镓星空棋牌、砷等物质的原料造成，是一种非线性元器件，其伏安性情与平常的二极管相通。当对 LED 表加反向电压时，惟有微安量级的反向电流；当反向电压赶上击穿电压时，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，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款式开释能量。

　　遵循 LED 的光量子表面，电子和空穴复适时，电场力对电子做的功 W=eUth，辐射出的光量子的能量 E=hν，正在不计能量吃亏的状况下，电场力对电子做的功总共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 的干系c=λν，可得普朗克常量的预备公式为

　　由此可见，精准丈量出 LED 的阈值电压 Uth 和波长 λ 是预备普朗克常量 h 的合节。但值得细心的是，温度变革会影响 LED 的伏安性情、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。这些城市影响普朗克常量丈量结果的凿凿性。是以，对付实践事业中的 LED 器件，务必研讨温度对器件电学和光学性情的影响。丈量分歧温度下，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干系，从拟合直线的斜率预备出普朗克常量。

　　采用单色 LED、利利普 AG1022 信号爆发器星空棋牌基于LED的光量子表面衡量普朗克常量、固纬 GDM-8341 数字万用表、港东 WGD-5 型多效力光栅光谱仪、自造可调恒温器搭筑普朗克常量丈量安装，如图 1 所示。实习当选用 1W 的 LED 灯珠，蓝光 LED 的事业电压约为 3V，额定电流约为 350mA；红光 LED 的事业电压约为 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]。正在丈量历程中，LED 永远置于恒温箱内。将 LED 的正向电压由零发轫舒缓增大恒温器，记载相应的电压和电流，可获得分歧温度下的 LED 伏安性情弧线。正在伏安性情丈量电道中，选用数字万用表的直流电压 5V 挡，别离率为 0.1mV；直流电流 500mA 挡，别离率为 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。正在分歧温度下测出 LED 的峰值波长。

　　本实习的控温安装是诈欺废旧仪器改造而成的。诈欺固体导热系数丈量仪，安排筑造可调恒温器。将实习室落选报废的老旧装备实行改造，用于物理实习利害常用道理的。跟着科学技能的连接发达，有的仪器装备因本能不良或产物更新换代而被落选，有的仪器装备因年久失修零件老化、到了利用的年限而报废。正在教学型实习室中，这些落选或报废的仪器数目跟着经济社会的发达逐年增加。固然这类仪器装备被落选或报废，但它们正在实习教学中仍多余热能够施展，充盈诈欺这些废旧仪器装备，可能正在培育学生的更始心灵和更始本领方面起到很大的感化。

　　固体导热系数丈量仪，因仪器到达利用年限，装备老化本能不良，且已有新型智能产物对其更新换代而被落选。固然该仪器仍然不行竣工素来的实习教学劳动，可是仪器中的加热安装还是是能够利用的。对该装备中的加热安装实行再诈欺，增多了定造的亚克力板和保温盒，自造了可调恒温器。自造可调恒温器包含上下两部门，上方恒温箱，下方温度把持仪。被测 LED 置于上方恒温箱内，恒温箱内安插温度传感器，通过下方的温度把持仪实行调控，完成恒温条款。正在恒温箱侧壁开一幼孔，能够通过幼孔旁观 LED 的发光状况，也能够通过幼孔透出的光，用光栅光谱仪丈量 LED 的波长。温度把持仪位于恒温箱下方，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，仪器盒正面的面板创立数字温度显示屏。改造竣工的自造可调恒温器如图 2 所示，控温体例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把持温度，丈量 LED 正向伏安性情。为便于阐述，本文以 10.0℃ 为间隔，丈量了从 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情弧线(a)是蓝光 LED 正在分歧温度下的伏安性情弧线。同样的本领，丈量了红光 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情弧线(b)是红光 LED 正在分歧温度下的伏安性情弧线。

　　从图中能够看出，LED 的伏安性情弧线跟着温度的升高而向低压偏移，表明阈值电压低落。正在分歧电流下的电压随温度升高而减幼的幅度有所分歧，当电流比力幼时，电压随温度升高而减幼的幅度较幼，当电流比力大时星空棋牌，电压随温度升高而减幼的幅度较大。这是由于星空棋牌，当 LED 导通后寻常发光时其内阻简直能够无视不计，而且 I-U 数据拥有精良的线性干系，是以诈欺这段事业区的弧线变革趋向能够确定 LED 正导游通的阈值电压。

　　拣选 LED 伏安弧线事业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℃ 时的伏安性情弧线 所示。拣选电流 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。同样的本领，拣选温度为 40.0~90.0℃ 时蓝光 LED 伏安弧线事业区的电流和电压的数据，分离实行直线拟合，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 阈值电压随温度的变革弧线恒温器。从图中能够看出，跟着温度的升高，LED 的阈值电压慢慢低落。

　　用光栅光谱仪丈量 LED 的峰值波长。将蓝光 LED 置于自造可调恒温器内，把持温度为 30.0℃，通过恒温箱侧壁的出光孔，旁观 LED 的发光状况，用光栅光谱仪实行波长扫描，丈量出蓝光 LED 正在 30.0℃ 时的峰值波长。同样的本领，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 峰值波长随温度的变革弧线。从图中能够看出，跟着温度的升高，LED 的峰值波长爆发红移。

　　进一步，拣选分歧温度下红光 LED 伏安弧线事业区的电流和电压的数据，分离实行直线拟合，求出相应温度下的阈值电压。表 1 给出了 30.0~90.0℃ 红光 LED 的阈值电压恒温器。图 5(a)给出红光 LED 阈值电压随温度的变革弧线。从图中能够看出恒温器，红光 LED 的阈值电压跟着温度的升自豪慢低落。用光栅光谱仪丈量分歧温度下红光 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 峰值波长随温度的变革弧线。从图中能够看出，红光 LED 的峰值波长跟着温度的升高爆发红移。

　　遵循丈量获得的分歧温度下的阈值电压，以及分歧温度下的峰值波长，将雷同温度下的阈值电压和峰值波长逐一对应起来。并将波长、频率和光速的干系 ν=c/λ星空棋牌，代入公式（1），可得阈值电压和频率呈线性干系，其表达式为

　　基于 LED 的光量子表面丈量了普朗克常量，研讨温度的变革会形成 LED 的阈值电压和峰值波长漂移，通过丈量分歧温度下 LED 的伏安性情弧线，得出了阈值电压随温度的变革弧线，以及峰值波长随温度的变革弧线。结果标明，跟着温度的升高，LED 的阈值电压低落，同时峰值波长红移。对 LED 正在分歧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星空棋牌。结果标明，研讨温升对 LED 的阈值电压和峰值波长的影响，可使普朗克常量的预备结果愈加凿凿。

　　但值得细心的是，实习中 LED 的电能并没有齐全转化为光能，总会有部门热能发生，丈量也存正在着必然的偏差。

　　[3]白光富，袁升，马泽斌，等. 光电效应测普朗克常数新数据处分本领[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干系阐扬[J].物理与工程，2012, 22(5):8-11.

　　[9]王莹，陈东生. 诈欺 LED 的量子性情安排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历程测普朗克常量[J]. 大学物理实习，2013, 26(1):3.

　　通信作家: 冯列峰，男，天津大学副教师，合键酌量对象为半导体光电子器件与物理、2D原料及器件，.cn。

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

　　吴国祯教师：我的海表酌量生体验印象——应清华大学物理系“基科班20年·学塾班10年庆贺行径”而写

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