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1、ZKY-LEDLED 特性实验仪实验指导及操作说明书成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段9 号中科院成都分院邮编： 610041电话：（028 ）8524700685243932传真：（028 ）85247006网址； WWW.ZKY.CnE-mail:ZKY ZKY.CnLED特性实验仪1962 年，通用电气公司的尼克?何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一只发光二极管 LED(Light Emitting Diode)， LED 早期主要作为指示灯使用。20 世纪 80 年代，LED 的亮度有了很大提高，开始广泛应用于各种大屏幕显示。1994 年，日本科学家中村秀
2、二在氮化镓GaN 基片上研制出第一只蓝光LED，1997 年诞生了蓝光芯片加荧光粉的白光 LED，使 LED 的发展和应用进入了全彩应用及普通照明阶段。LED 是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小，耗电量低，易于控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点，其主要应用领域包括照明：在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED 照明是节能环保的重要途径。在国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要中，“高效节能，长寿命的半导体照明产品”被列入国家中长期规划第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能）。2006 年 10 月，国家863 计划“半导体照明工程”正式启动。
3、普通照明用的白炽灯虽价格便宜，但光效低 （ 12 24 流明 / 瓦），寿命短 （平均1500小时）已被欧盟禁止使用。荧光灯的光效（50 120 流明 / 瓦）高，寿命（平均6000 小时）较长，但靠汞蒸汽放电发光，而汞对人体有严重的毒害作用，污染环境。白光LED的光效已达到50 流明 / 瓦，实验室水平已超过200 流明 / 瓦，寿命平均50000 小时，从综合性能看已是最好的照明光源。虽然目前价格较高阻碍了LED 在普通照明领域大规模推广，但依据芯片产业的发展规律，随着技术进步与规模扩大，成本将会迅速降低，不久 LED 照明将会取代普通照明方式。大屏幕显示：LED 显示屏显示画面色彩鲜艳，
4、立体感强，静如油画，动如电影，同时具有耗电低，证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。LED 显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED 矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。液晶显示的背光源：液晶显示器目前在中小屏幕显示方面占据大部分市场，液晶矩阵元只对光线起开关控制作用，必需有背光源照明才能显示图像，色彩。由于LED 体积小，耗电低，寿命长的优点，手机，数码相机，笔记本电脑，MP3/4 等便携设
5、备的液晶屏都采用LED 做背光源。由于价格因素，早期大屏幕液晶屏是采用CCFL 荧光灯管做背光源，随着LED 的价格下降，且采用LED 做背光源可使显示屏色彩表现力更丰富，亮度和白平衡易于控制，目前大屏幕液晶屏已竞相采用LED 做背光源。装饰工程：城市的夜空，各种装饰性，广告性的灯具闪烁发光，曾经的霓虹灯已退出历史舞台，取代它的是组合、控制方便，表现力丰富的LED 灯具。景观照明中的一个亮点是LED 与太阳能的结合，白天利用造型灯具中的太阳能电池发电，晚上利用太阳能发电的能量点燃灯具，实现了装饰照明与节能环保的和谐统一。其它：如交通信号灯，公共场所的各种指示灯，光纤通信的光源，汽车上的各种内部
6、照明灯，仪表指示灯，仪器上的数码显示管，都大量采用LED。实验目的通过实验测试各种LED 特性，分析实验结果，从而进一步了解LED 工作原理及相关应用。(1) 测量 LED 的伏安特性(2) 测量 LED 的电光转换特性(3) 测量 LED 输出光空间分布特性实验原理发光二极管是由P 型和 N 型半导体组成的二极管。NP 型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N 型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。势垒电空间场方向电荷区当两种半导体结合在一起形成P-N 结时，N 区的电子（带P负电）向 P 区扩散，P 区的空穴（带正电）向N 区扩散，在 P-N 结附近形成空间电荷区与势垒电场
7、。势垒电图 1半导体 P-N 结示意图场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N 结的净电流为零。在空间电荷区内，P 区的空穴被来自N 区的电子复合， N 区的电子被来自P 区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P 区的空穴和 N区的电子就向对方扩散运动，从而在 PN 结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。发光二极管发射光谱的中心波长，由组成P-N 结的半导体材料的禁带能量所决定，采用不
8、同的材料及材料组分，可以获得发射不同颜色的发光二极管。LED 的光谱线宽度一般有几十纳米，可见光的光谱范围是400 700 纳米， 白光 LED一般采用三种方法形成。第一种是在蓝光LED 管芯上涂敷荧光粉，蓝光与荧光粉产生的宽带光谱合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。第 3 种是紫外LED 加 3 基色荧光粉，3基色荧光粉的光谱合成白光。实验仪器LED 光发射器LED 组件盒照度检测激励电源测试控制器实验仪图 2LED 特性实验装置LED实验装置如图2 所示。实验装置由LED 光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实验仪及LED
9、 组件盒组成。LED组件可以方便的安装LED光发射器上，共提供红色，绿色，蓝色，白色4 种高亮 LED和红色，绿色，蓝色，白色4 种功率 LED，功率 LED的输出光更强，空间分布角大。LED光发射器可以旋转并由刻度盘指示旋转角度，方便测量LED输出光空间分布特性。照度检测由光电池将LED输出的光信号转换成电信号后，由照度表显示。激励电源有稳压与稳流两种输出模式，目前的实验内容采用稳压模式，稳流模式为以后扩展实验预留。在稳压模式下，选择036 伏档 , 控制器向LED 输出反向电压。选择0 4 伏档 , 控制器向LED输出正向电压。输出调节旋纽可以调节输出的电压值。测试控制器提供电压换向，过压
10、报警，输入输出信号的转接等功能。实验仪上有电压，电流，照度3 个表头，是读取实验数据的窗口，每个表头都带有量程切换按键。各部分的连线仪器上都有标示，按标示连接即可。使用时应注意，只有在电源输出为0 时（电源调节旋纽逆时针旋转到底），才可进行：切换电源和实验仪的档位、更换LED组件、开启、关闭电源。否则易导致电源或仪器损坏。实验内容与步骤测量原理如图3 所示：LED 驱动电源电压表LED光探头照度表电流表图 3LED 特性测量原理图电压，电流，照度 3 只表都装在 LED 综合特性实验仪上。调节激励电源的输出调节旋纽，可以改变 LED 驱动电源的输出电压或电流。LED 两端电压由I电压表读出，流
11、经 LED 的电流由电流表读出， LED 输出光强经光探头接收后由照度表读出。1、测量 LED 的伏安特性V伏安特性反映了在LED 两端加电压时，电流与电压的关系，如图4 所示。在 LED两端加正向电压，当电压较小，不足以克服势垒电场时，通过 LED的电流很小。当正向电压超过死区电图 4LED 的伏安特性曲线压（图 4 中的正向拐点）后，电流随电压迅速增长。正向工作电流指LED 正常发光时的正向电流值，根据不同管子的结构和输出功率的大小，其值在几十毫安到1 安之间。正常工作电压指LED 正常发光时加在二极管两端的电压。允许功耗指加于LED 的正向电压与电流乘积的最大值，超过此值， LED 会因
12、过热而损坏。LED 的伏安特性与一般 2 极管相似。在 LED两端加反向电压，只有微安极的反向电流。反向电压超过击穿电压（一般为几十伏）后，管子被E击穿损坏。为安全起见，激励电源提供的最大反向电压低于击穿电压。2、测量LED 的电光转换特性图 5 反映发光二极管的驱动电流与与输出照度的关系。发光二极管输出照度值与驱动电流近似呈线性关系。这是因为驱动电流与注入PN 结的电荷数成正比，在复合发光的量子效率一定的情况下，输出照度I与注入电荷数成正比。图 5LED 电光转换特性测量伏安特性与电光转换特性：电源输出调节旋纽反时针旋转到底，此时输出电压电流为0。注意：只有在电源输出为0 时，才可进行：切换电源和实验仪的档位、更换 LED 组件、关闭电源。否则导致电源或仪器损坏 。将待测的LED 安装在 LED 发射器上，调节发射器位置，使其正对接收探头。将照度检测探头至LED 的距离调节到20 厘米。调节探头的高度和角度，使其正对LED 。输出模式选择稳压，电源输出档位选择 0 36V 。此时控制器上的红色指示灯熄灭，表明加在 LED 上的为反向电压，测量反向特性。实验仪电压表选择40V 档，电流表选择100A 档，照度表选择100LX 档。记录电源输出为 0 时照度表的示值，此示值是背景光和探头0 位调节误差导致的背景值。记录照度时应扣除背景值。将输出调节旋纽右旋至输出20V ，
