Светодиоды (LED) — наиболее эффективные источники света. В последние годы на рынке появились дешевые, мощные и надёжные светодиоды. Это произвело подлинную революцию, так как электрические световые устройства (лампы накаливания, галогенные и флуоресцентные лампы) в домах и офисах стали вытесняться светодиодами.
В данном эксперименте мы будем анализировать температурные и электрические свойства светодиодов.
Не оценивайте погрешности, но помните, что точность ваших методов и результатов будет оцениваться.
Всегда изображайте схему измерительной установки, которую вы используете.
При необходимости постройте графики для определения требуемых величин.

$\textit{Оборудование}:$ 2 одинаковые электрические панели со светодиодом, резистором и датчиком температуры; 2 прозрачные бутылки, 2 пробки, 2 трубки, вода, шприц, 3 мультиметра (для измерения напряжения следует использовать мультиметр, помеченный «voltage-only»), 2 потенциометра, источник питания, соединительные провода, штатив, полоски бумаги с миллиметровой шкалой.

На рисунке показана схема и соединение электрической цепи на панели (слева) и потенциометр (справа). Резистор $R_1$ может быть использован для нагрева панели около светодиода. Температурный датчик (термистор) $R_T$ представляет ещё один резистор, сопротивление которого сильно зависит от абсолютной температуры $T$:
$$
T(К)=2.254\left(\ln \left(\frac{R_T}{1~кОм}\right)\right)^{2}-32.46 \ln \left(\frac{R_T}{1~кОм}\right)+361.09
$$

$\textbf{Внимание!!!}$ Подавайте напряжение на светодиод с учётом его полярности! Красный вывод источника питания является плюсом ($+$) и должен быть подсоединён к красному выводу светодиода, а чёрные вывод является минусом ($-$).

Мультиметр имеет режим работы, обозначенный знаком , который действует как источник постоянного (небольшого) тока, когда диод подсоединён между клеммами «mAV$\Omega$» (вывод $+$) и «COM» (вывод $-$). В этом режиме мультиметр показывает напряжение на диоде в вольтах при силе тока около 0.33 мА (считайте силу тока постоянной).

Согласно упрощенной теории, ток через диод $I_d$, падение напряжения $V$ в той области светодиода, из которой испускается свет, и абсолютная температура $T$ этой области связаны соотношением
$$
I_{d}=A e^{-V_{G 0} /\left(n V_{T}\right)}\left(e^{V /\left(n V_{T}\right)}-1\right)
$$
где $V_{T}=\cfrac{k}{q} T$, $k = 1.381\cdot 10^{-23}~Дж/К$ — постоянная Больцмана, $q = 1.602\cdot 10^{-19}~Кл$ – элементарный заряд. Переменная $V_T$ называется термическим напряжением. Параметры $V_{G0}$, $n$ и $A$ зависят от материала и конструкции светодиода. Параметр $n$ называется фактором идеальности и обычно $1 < n < 2$. Параметр $V_{G0}$ называется зазором потенциала полупроводникового материала.
Напряжение на диоде $V^{\prime}=V+I_d R_S$ содержит вклад от паразитного последовательно включенного сопротивления $R_S$, которое имеет порядок 1 Ом.
Подсказка: оценивайте величины в выражении, приведённом выше, и тем самым упрощайте свои вычисления!

A Измерьте и нанесите на график зависимость напряжения от температуры на светодиоде при постоянном токе (сила тока должна быть мала, чтобы можно было пренебречь падением напряжения на $R_S$).
Найдите $V_{G0}$.
Найдите параметры $n$ и $A$, проведя дополнительные измерения и построив соответствующий график.
При бόльших значениях силы тока последовательно включенное сопротивление $R_S$ становится заметным. Измерьте $R_S$.

B Определите КПД $\eta$ светодиода как отношение излучаемой световой мощности к потребляемой электрической мощности. Измерьте величину $\eta$ без использования температурного датчика.

C Светодиод ведёт себя как солнечная батарея (или фотодиод). Фототок $I_p$, вызванный светом, не зависит от напряжения и пропорционален интенсивности света; он вычитается из тока диода ($I = I_d -I_p$). В предыдущих измерениях фототок, вызванный окружающим светом, был достаточно мал и не влиял на результаты.

Поместите два светодиода друг напротив друга на расстоянии $d = 3.0~см$ и подайте на один из них ток $I_1 = 0.50~А$. Определите максимальную электрическую мощность $P_\max$, которая может быть получена от светодиода на этой установке при комнатной температуре.
Определите соответствующий КПД $\eta_p$ — выходная электрическая мощность, делённая на мощность света, поглощенного активной зоной светодиода. Площадь этой зоны $S = 1.56~мм^2$. Считайте, что светодиод излучает однородно в $\alpha = 33\%$ от сферы.