普朗克常量正在物理学中拥有特田主要的事理，可按照 LED 的光量子表面，对普朗克常量举行丈量。LED 是一种常见的半导体器件，其电学特色和光学特色容易受到温度的影响。本文欺骗自造的可调恒温器对 LED 举行控温，丈量了区别温度下 LED 的阈值电压和峰值波长。试验剖明，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举行数据经管，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主要的一个常量，它是合联物质的粒子性与震荡性的主要参数，是量子宇宙和可观丈量子效应的基础象征。它的切确测定关于质地计量的物理基准设立筑设、量子效应周详丈量赶早期宇宙大爆炸物理特色探求等都有主要事理[1]。十分是正在第 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，象征着国际单元造全部进入量子化期间[2]。丈量普朗克常量的伎俩紧要有：光电效应伎俩[3]，按照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相干来谋划普朗克常量；黑体辐射伎俩[4]，按照黑体辐射强度的频率分散，举行理解后可通过玻耳兹曼常数谋划得出普朗克常量；玻尔表面伎俩[5]，按照玻尔的氢原子表面，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。另表尚有：量子霍尔效应伎俩[6]、基布尔秤丈量伎俩[7]、电压天平丈量伎俩[8]等。此中，欺骗光电效应丈量普朗克常量是大学物理试验中特地经典的伎俩。不过，光电管中的暗电流等要素会对丈量结果出现影响。正在文件[9]和文件[10]中，提出了基于 LED 的伏安特色及光谱特色丈量普朗克常量的伎俩。该伎俩采用单色 LED，元器件容易取得，价值低廉千亿QY88官网，操作容易便利。通过丈量 LED 的阈值电压和峰值波长，获得普朗克常量。不过结果剖明，正在 LED 发光发烧的流程中，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差错较大。这是由于 LED 属于电致发光器件千亿QY88官网，与古代光源的发光道理区别，古代光源通过辐射散热，不过 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，所以采用 LED 丈量普朗克常量时，探究温升的影响有着主要的实质事理。

　　本文中，欺骗自造的可调恒温器，将区别色彩 LED 器件紧闭此中，正在充沛探究温升效应后，具体丈量了 LED 的伏安特色以及光谱特色，并通过对数据拟合，切确谋划出了普朗克常量。

　　发光二极管的焦点是 PN 结，由含有镓、砷等物质的资料造成，是一种非线性元器件，其伏安特色与寻常的二极管彷佛。当对 LED 表加反向电压时，只要微安量级的反向电流；当反向电压抢先击穿电压时，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方式开释能量。

　　按照 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，正在不计能量失掉的情状下，电场力对电子做的功全体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。再按照光速 c 和波长 λ、频率 ν 的相干c=λν，可得普朗克常量的谋划公式为

　　由此可见，切确丈量出 LED 的阈值电压 Uth 和波长 λ 是谋划普朗克常量 h 的合头。但值得预防的是，温度转移会影响 LED 的伏安特色、波长、光通量、照度、寿命以及牢靠性等。正在电流肯准时，温度越高，LED 的电压越低。另表，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精确性。所以，关于实质就业中的 LED 器件，必需探究温度对器件电学和光学特色的影响。丈量区别温度下，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相干，从拟合直线的斜率谋划出普朗克常量。

　　采用单色 LED、利利普 AG1022 信号产生器、固纬 GDM-8341 数字万用表、港东 WGD-5 型多性能光栅光谱仪、自造可调恒温器搭筑普朗克常量丈量装备，如图 1 所示。试验落选用 1W 的 LED 灯珠恒温器，蓝光 LED 的就业电压约为 3V，额定电流约为 350mA；红光 LED 的就业电压约为 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]。正在丈量流程中，LED 永远置于恒温箱内。将 LED 的正向电压由零入手下手舒徐增大，记载相应的电压和电流，可获得区别温度下的 LED 伏安特色弧线。正在伏安特色丈量电道中，选用数字万用表的直流电压 5V 挡，区分率为 0.1mV；直流电流 500mA 挡，区分率为 0.01mA。光栅光谱仪的波长扫描边界为 200.0~800.0nm，扫描间隔 0.1nm千亿QY88官网。正在区别温度下测出 LED 的峰值波长。

　　本试验的控温装备是欺骗废旧仪器改造而成的。欺骗固体导热系数丈量仪，安排造造可调恒温器。将试验室裁汰报废的老旧兴办举行改造，用于物理试验黑白常蓄事理的。跟着科学本事的不停兴盛，有的仪器兴办因本能不良或产物更新换代而被裁汰，有的仪器兴办因年久失修零件老化、到了利用的年限而报废。正在教学型试验室中，这些裁汰或报废的仪器数目跟着经济社会的兴盛逐年增加。固然这类仪器兴办被裁汰或报废，但它们正在试验教学中仍足够热能够阐扬，充沛欺骗这些废旧仪器兴办，或许正在造就学生的革新心灵和革新本事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，兴办老化本能不良，且已有新型智能产物对其更新换代而被裁汰。固然该仪器一经不行竣工原本的试验教学职责，不过仪器中的加热装备如故是能够利用的。对该兴办中的加热装备举行再欺骗，扩张了定造的亚克力板和保温盒，自造了可调恒温器。自造可调恒温器囊括上下两一面，上方恒温箱，下方温度支配仪。被测 LED 置于上方恒温箱内，恒温箱内安顿温度传感器，通过下方的温度支配仪举行调控，竣工恒温要求。正在恒温箱侧壁开一幼孔，能够通过幼孔视察 LED 的发光情状，也能够通过幼孔透出的光，用光栅光谱仪丈量 LED 的波长。温度支配仪位于恒温箱下方，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，仪器盒正面的面板配置数字温度显示屏。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℃。

　　正在本试验中，将 LED 置于自造可调恒温器内支配温度，丈量 LED 正向伏安特色。为便于理解，本文以 10.0℃ 为间隔，丈量了从 30.0~90.0℃ 边界内 LED 的电流和电压，绘造出各温度下的伏安特色弧线(a)是蓝光 LED 正在区别温度下的伏安特色弧线。同样的伎俩，丈量了红光 LED 从 30.0~90.0℃ 边界内的电流和电压，绘造出各温度下的伏安特色弧线(b)是红光 LED 正在区别温度下的伏安特色弧线。

　　从图中能够看出恒温器，LED 的伏安特色弧线跟着温度的升高而向低压偏移，评释阈值电压低重。正在区别电流下的电压随温度升高而减幼的幅度有所区别，当电流对照幼时，电压随温度升高而减幼的幅度较幼，当电流对照大时，电压随温度升高而减幼的幅度较大。这是由于，当 LED 导通后平常发光时其内阻简直能够疏忽不计，而且 I-U 数据拥有优越的线性相干，所以欺骗这段就业区的弧线转移趋向能够确定 LED 正引导通的阈值电压。

　　选择 LED 伏安弧线就业区的电流和电压数据举行直线拟合，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℃ 时的伏安特色弧线 所示。选择电流 I≥200.00mA 的数据点千亿QY88官网基于LED的光量子表面丈量普朗克常量，对其举行直线拟合，拟合出的直线与横轴的交点即为阈值电压。同样的伎俩，选择温度为 40.0~90.0℃ 时蓝光 LED 伏安弧线就业区的电流和电压的数据，永别举行直线拟合，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 阈值电压随温度的转移弧线。从图中能够看出，跟着温度的升高，LED 的阈值电压渐渐低重。

　　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，支配温度为 30.0℃，通过恒温箱侧壁的出光孔，视察 LED 的发光情状，用光栅光谱仪举行波长扫描，丈量出蓝光 LED 正在 30.0℃ 时的峰值波长。同样的伎俩，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 峰值波长随温度的转移弧线。从图中能够看出，跟着温度的升高，LED 的峰值波长产生红移。

　　进一步，选择区别温度下红光 LED 伏安弧线就业区的电流和电压的数据，永别举行直线拟合，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 阈值电压随温度的转移弧线。从图中能够看出，红光 LED 的阈值电压跟着温度的升高渐渐低重。用光栅光谱仪丈量区别温度下红光 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 峰值波长随温度的转移弧线。从图中能够看出，红光 LED 的峰值波长跟着温度的升高产生红移。

　　按照丈量获得的区别温度下的阈值电压，以及区别温度下的峰值波长，将相像温度下的阈值电压和峰值波长逐一对应起来。并将波长、频率和光速的相干 ν=c/λ，代入公式（1），可得阈值电压和频率呈线性相干，其表达式为

　　基于 LED 的光量子表面丈量了普朗克常量，探究温度的转移会形成 LED 的阈值电压和峰值波长漂移，通过丈量区别温度下 LED 的伏安特色弧线，得出了阈值电压随温度的转移弧线，以及峰值波长随温度的转移弧线。结果剖明，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 正在区别温度下的阈值电压和频率拟合直线，从拟合直线的斜率切确获得了普朗克常量。结果剖明恒温器，探究温升对 LED 的阈值电压和峰值波长的影响，可使普朗克常量的谋划结果加倍精确。

　　但值得预防的是，试验中 LED 的电能并没有所有转化为光能，总会有一面热能出现，丈量也存正在着肯定的差错。

　　[3]白光富，袁升，马泽斌，等. 光电效应测普朗克常数新数据经管伎俩[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基础定律相干阐明[J].物理与工程，2012, 22(5):8-11.

　　[9]王莹，陈东生. 欺骗 LED 的量子特色安排新型普朗克常数测定仪[J]. 大学物理试验，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流程测普朗克常量[J]. 大学物理试验，2013, 26(1):3.

　　通信作家: 冯列峰，男，天津大学副教化，紧要探求对象为半导体光电子器件与物理、2D资料及器件，.cn。

　　引文式样: 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.

　　吴国祯教化：我的表洋探求生通过印象——应清华大学物理系“基科班20年·学塾班10年庆祝举止”而写

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