Estimativa do Comprimento de Onda de um LED

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1 Universidade São Judas Tadeu Faculdade de Tecnologia e Ciências Exatas Cursos de Engenharia Laboratório de Física e Eletricidade: Estimativa do Comprimento de Onda de um LED Autor: Prof. Sandro Martini Aluno R.A. Turma

2 Estimativa do Comprimento de Onda de um LED 1. Introdução As ondas eletromagnéticas cobrem um espectro extremamente amplo de comprimento de onda ( ) e freqüência (f). Lembre-se que para uma onda periódica a freqüência é o inverso do período (T) e o comprimento de onda ( )édadopor: = v f (1) sendo v avelocidadedepropagaçãodaonda. Diferentementedasondasemumcorda ou do som se propagando em um fluido, as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio material para se propagar. As ondas eletromagnéticas se propagam no espaço livre com uma velocidade v = c m/s, queéavelocidadedaluz! O espectro eletromagnético abrange as transmissões por rádio e TV, a luz visível, a radiação infravermelha e ultravioleta, os raios X e os raios gama. A Figura 1 mostra um resumo do espectro eletromagnético. Figura 1: Espectro eletromagnético. No experimento de hoje, você utilizará um diodo emissor de luz (Light Emitting Diodes, LED) para medir o comprimento de onda na faixa de luz visível. Nessa região os comprimentos de onda variam de cerca de 400 nm a 700 nm (nm= nanometro=10 9 m). Diferentes partes do espectro visível evocam nos seres humanos as sensações de cores diferentes. A Tabela 1 mostra de forma aproximada os comprimentos de onda para as cores no espectro visível. 1

3 Tabela 1: Faixa de comprimentos de onda para a luz visível Comprimento de onda Cor 400 a 440 nm Violeta 440 a 480 nm Azul 480 a 560 nm Verde 560 a 590 nm Amarelo 590 a 630 nm Laranja 630 a 750 nm Vermelho 1.1 Alguns Conceitos Importantes Um diodo emissor de luz é, como o nome sugere, um diodo que emite luz. Você deve se lembrar (experimento sobre os bipolos) que um diodo é formado por uma junção p-n. Quando tal junção é formada ocorrem processos físicos que dão origem a uma diferença de potencial eletrostático V 0 na região da junção. Se a junção for polarizada no sentido reverso, ou seja, com o pólo positivo da bateria ligado ao lado N da junção e o pólo negativo ao lado P, fazemos por aumentar esta barreira, tornando ainda mais difícil a condução da corrente. Se, por outro lado, for aplicada à junção uma polarização direta abarreiradiminui,dandolugaràconduçãodacorrente. Para um LED polarizado diretamente, entre os vários fenômenos que acontecem, ocorre um processo físico chamado de recombinação radiativa. Nesse processo a energia do elétron é liberada na forma de uma radiação eletromagnética. Segundo a Mecânica Quântica a energia de uma radiação eletromagnética é transportada em pacotes chamados de fótons. A energia E de um fóton é proporcional à freqüência: E = hf (2) sendo f é a f r e q ü ê n c i a d a r a d i a ç ã o e h é u m a c o n s t a n t e d e n o m i n a d a c o n s t a n t e d e P l a n c k, cujo valor no Sistema Internacional é: h =6, Js Contudo, nos LEDs, a energia do fóton emitida (hf) estárelacionadacomabarreira de potencial (V 0 )najunçãopelaexpressão: E G = ev 0 (3) sendo e acargaelementardoelétron(e =1, C). Assim, igualando as equações (3) e (2) temos: ev 0 = hf (4) 2

4 Mas, como vimos na Introdução, podemos relacionar a freqüência com o comprimento de onda: Desta forma, podemos escrever: f = c (5) = hc ev 0 (6) Porém, precisamos fazer uma pequena correção. Na prática, existem perdas provenientes de vários fatores (por exemplo, os efeitos devido à temperatura). Nós podemos estimar que cerca de 10% da energia que fornecemos ao elétron é dissipada 1,portanto: =0, 9 hc ev 0 (7) Note que nesta última equação temos três constantes (e, h e c). Precisamos então determinar apenas o valor de V 0.Essevalorserádeterminadoatravésdacurvacaracterística do LED. A Figura 2 ilustra a curva característica de um diodo. Figura 2: Curva característica de um diodo. ApartirdacurvacaracterísticadoLEDpodemosestimarovalordeV 0. Para isso traçamos uma reta assintótica à curva, na região mais linear, e extrapolamos essa reta até encontrar o eixo horizontal. Esse ponto é o valor estimado para V 0. Nesta experiência você utilizará um LED, cuja emissão está na região da cor vermelha. Levantando a curva característica e obtendo o valor de V 0,vocêconseguiráestimaro comprimento de onda dessa radiação eletromagnética. 2. Objetivos Estimar o comprimento de onda de um LED

5 3. Material Utilizado LED. Potenciômetro de 500. Cabos. Dois Multímetros. Placa de montagem e Pilhas. 4. Procedimento Experimental 1. Monte o circuito abaixo. 2. Você deverá agora variar lentamente a resistência do potenciômetro para obter os valores das tensões que estão na Tabela 2 e anotar o valor das respectivas correntes. Tabela 2: LED. Tensão V (V) Corrente I (ma) 1,40 1,44 1,48 1,52 1,56 1,60 1,64 1,68 1,72 1,76 1,80 1,84 1,88 1,92 1,96 2,00 2,04 2,08 4

6 3. Em um papel milimetrado construa a curva característica do LED. Use a Tabela 2. Não esqueça que o eixo y será a corrente e eixo x atensão. 4. Determine o valor de V 0 conforme explicado anteriormente; V 0 = 5. Utilizando a equação (7) encontre o comprimento de onda da radiação emitida pelo LED; =0, 9 hc ev 0 = m = nm 6. Verifique se o comprimento de onda que você determinou está dentro da faixa esperada (veja a Tabela 1). 7. Desmonte o circuito e entregue o material; Você sabia que... Ao contrário dos leitores de DVDs atuais, que usam um diodo laser vermelho para ler egravarosdados,oblu-rayusaumdiodolaserazul(deondevemonomedoformato). Um laser azul 2 possui menor comprimento de onda (405 nm) do que um laser vermelho (650 nm). O feixe com menor comprimento de onda focaliza com mais precisão, o que habilita a leitura de informações gravadas em cavidades com apenas 0,15 µm (1 µm = 10 6 metros) de comprimento: mais de duas vezes menores do que as cavidades em um DVD. Além disso, o Blu-ray reduziu o espaçamento entre as trilhas de 0,74 µm para0,32 µm. Tais inovações capacitaram um disco Blu-ray de camada única a guardar mais de 25 GB de informação, cerca de cinco vezes a quantidade de informações que pode ser armazenada em um DVD. Agora para terminar a experiência, determine qual seria o V 0 para um LED operando no comprimento de onda de 405 nm. V 0 = 2 Observe que chamamos o laser de blue, mas na verdade a sua cor está na faixa do violeta! 5

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