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1、LED 特性及光度测量实验10光信息1班 黄楚迪 10327085 组号：B14 合作人：张瑀【实验目的和内容】1、了解发光二极管的发光机理、光学特性与电学特性，并掌握其测试方法。2、设计简单的测试装置，并对发光二极管进行 VI 特性曲线、PI 特性曲线的测量。【实验用具】 LED（若干种类） 、精密数显直流稳流稳压电源、积分球（30cm） 、多功能光度计、通用标准光源、光功率计、直尺、万用表、导线等。【实验基本内容】1、概述LED（light emitting diode发光二极管的缩写）属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到
2、保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。图 1、LED 结构图 图2、常规InGaN / 蓝宝石LED芯片剖面发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片。 常规的发光二极管芯片的结构如图二所示，主要分为衬底，外延层（图2中的N型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层，P型与N型电极、钝化层几部分。钝化层的作用是保护透明接触层。在p型半导体和n型半导体之间存在一个过渡层，称为pn结。跨过此pn结，电子从n型材料扩散到p区， 而空穴则从p 型材料扩散到 n 区，如右面的图4（a）所示。作为这一相互扩散的结果， 在pn结处形成了一个高度的eV的势垒，阻止电子和空穴的进
3、一步扩散，达到平衡状态（见图4（b）。当外加一足够高的直流电压V，且 p 型材料接正极， n型材料接负极时， 电子和空穴将克服在pn结处的势垒， 分别流向 p 区和 n 区。在pn结处，电子与空穴相遇，复合，电子由高能级跃迁到低能级， 电子将多余的能量将以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。这就是发光二极管的发光原理。（见图4（c） ） 。通过材料的选择可以改变半导体的能带带隙，从而就可以发出从紫外到红外不同波长的光线，且发光的强弱与注入电流有关。例如，由目前流行的第三代半导体材料GaN所制成的LED光谱分布很宽，可以从紫外的380nm，到蓝色的465nm，直至翠绿色的525nm。2、发
4、光二极管的特点和优点 LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。主要包括以下方面： （1）体积小。LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。 （2）耗电量低。LED 耗电非常低，一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V。工作电流是 20-30mA。消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% （3）使用寿命长。在恰当的电流和电压下，LED 的使用寿命可达 10万小时。比传统光源寿命长 5 倍以上。 （4）高亮度、低热量。 （5）环保。LED 是冷光源、眩光小，无辐射，由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED 也可
5、以回收再利用。（6）坚固耐用。LED 是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED 可以说是不易损坏的。3发光二极管的主要特性（1） 光谱分布、 峰值波长和光谱辐射带宽（2） 光通量：LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量V（单位是流明（lm），是指LED向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。但要考虑人眼对不同波长的可见光的光灵敏度是不同的，国际照明委员会(CIE)为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件(亮度为3cd/m2以上)下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V ( )，它在55
6、5nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图5所示，其中V( )为暗视觉条件(亮度为0.001cd/m2以下)下的光谱光视效率。例如一个100 W的灯泡可产生1500lm，一支40 W的日光灯可产生3500lm的光通量。（3） 发光强度（4） 色温（5） 发光效率：光源发出的光通量除以所消耗的功率（单位是lm/w） 。它是衡量光源节能的重要指标。测得发光二极管的光通量后，就可以进一步经计算获得LED器件的发光效率。其计算关系式定义为: 发光效率：其中、分别是发光二极管的正向电流和正向电压。（6） 显色性（7） 正向工作电压Vf（8）VI 特性：在正向电压小于阈值时，正向电流极小，不发
7、光。当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速增加。由VI 曲线可以得出LED的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正常情况下常见的GaN LED反向漏电流在VR = -5V 时，反向漏电流 IR 10A。（9） PI 特性：即 LED轴向光强与正向注入电流关系特性。由于一个产品中往往要使用许多个 LED，各 LED的发光亮度必须相同或成一定比例后才能呈现均一的外观，因此我们必须使用恒流源控制好各 LED 的工作电流，从而使各 LED的亮度达到的一致性。要研究 LED 工作电流与亮度的关系，我们就必须测量它的 PI 特性。LED 光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律来实现的。我们的测量电路及装
8、置如图 8 和 9 所示。根据 CIE127-1997 标准，取 LED 到探测器端面距离 d100mm，探测器接收面直径 a11.3mm。【实验内容及操作步骤】1搭建发光二极管的光通量测量系统，并使用远方D031标准光源对多功能光度计进行定标。 校零：a.将精密稳流稳压电源与光度计连接起来，并把Photo2000J光度探头及标准光源正确装入积分球内；b.关闭积分球，并确保精密稳流稳压电源无电流电压输出；c.将Photo2000J光度计后面板上的钥匙拨至“CAL”，即垂直方向；d.按下Photo2000J光度计前面板上的校零键“校零/ZERO”，数码管显示“zErO”，再按“校零/ZERO”，
9、“采样/SAMPLE”指示灯与“校零/ZERO”指示灯同时亮起，此时仪器处于校零状态，约需12分钟，直到“校零/ZERO”指示灯灭，校零完毕。定标：e.打开精密稳流稳压电源，慢慢调大电流至标准光源的标定电流（如果标准光源产品检定报告上所写的是标定电压，则请调至标定电压），约稳定5分钟；f.按一次Photo2000J光度计前面板上的定标键“定标/CAL”，数码管显示“CAL”，“定标/CAL”指示灯亮起，再按一次“定标/CAL”键，此时数码管闪烁，此时输入标准光源产品 检定报告上的标定光通量。（可用“”键选择输入的位置，“”键改变闪烁位置的取值），第三次按下“定标/CAL”键，此时数码管显示定标
10、系数，第四次按“定标/CAL”键，此时“定标/CAL”指示灯灭，“采样/EXAMPLE”指示灯闪烁，此时数码管显示光通量的标定值，完成定标。2替换标准光源为待测的LED，测量其光通量，计算发光效率。g.慢慢将电压调至零，标准光源逐渐熄灭，待标准光源冷却后再将其取出，替换为待测LED（切记：LED长引脚为正极，短引脚为负极，不可插错！），并将Photo2000J光度计后面 板上的钥匙拨至“TEST”，即水平方向；h.慢慢增大稳流稳压电源的输出电压至3.5V，记录此时的输出电压，电流值以及光度计上显示的光通量，计算LED此时的发光效率；i.更换其余的LED样品，重复步骤。3测量LED VI特性曲线
11、以及PI特性曲线。a连接测量电路和架设光路（测量V-I特性按照图6，测量P-I特性按照图8和图9），注意LED正负不能接反，并把可调稳流电流源的电流档和电压压档调到最小；b检查电路，确认无误后打开可调稳流电流源的开关。适当调大电流源的输出电流和电压，让LED发光以便调准光路，保证LED在探测器接收圆面的轴线上，与探测器端面距离d100mm；c把电流档和电压档调回零，再缓慢增大输出电流和输出电压，记录下每一组电流、电压值及其对应的光强，注意电压值不宜超过3.8V。作出LED VI特性曲线以及PI特d更换其余的LED样品，重复以上步骤步骤。【实验数据处理及结果分析】1、 VI曲线和PI曲线的测量L
12、ED光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律来实现的。根据CIE127-1997标准，在实验中取LED到探测器端面距离d10cm。实验中，我们测量了蓝光LED的VI、PI特性，测得的数据如表1所示：表1 蓝光LED P-I特性 U(v)I(A)P1(W)P2(W)P3(W)P(W)2.7011.3413.0414.1812.85333332.80.00156.1439.1342.5345.93333332.90.00278.8369.1978.2675.426666730.003148152.6166.2155.63.10.004216.6182.6196.2198.4666673.20.0
13、08395.1391.3406.1397.53.30.013561.4547.3563.7557.4666673.410.022925949.9937.4937.4333333.510.0321233123512441237.333333.610.0431513152315221519.333333.70.0531760176917661765实验中为了减少读数跳动的误差，故采取三次读数，求平均。由表1可发现，在电压大于2.7V以后，才出现电流的读数。其原因为LED中的PN结结构，只有当正向电压大于开启电压时，才会出现正向电流。同时仪器读数精度不足导致电流只有在大于0.001A的时候才能被读出
14、，这也是原因之一。根据表1 数据，可作得蓝LED的IV曲线和PI曲线如下：图1 蓝光LED的IV特性曲线对蓝光LED的IV特性曲线作指数拟合，得到的关系式是：，相关系数R2=0.99068接近于1，说明IV关系非常接近指数增长关系。由图1知，蓝光LED的阈值电压大概为2.7V左右。当输入的正向电压低于阈值电压时，电路电流几乎为零，同时LED不发光。超过阈值电压以后电流随电压出现指数形式的增长。根据Shockley理论,对于一个散射面积为A的二极管,其电流电压关系为: ，其中，Dp,n，p,n分别为空穴和电子的扩散系数和寿命，与图 1特性一致。图2 蓝光LED的PI特性曲线对蓝光LED的PI特性曲线作指数拟合，得P=67.65314+34022.99488I(W)。相关系数R=0.99403，非常接近1，说明PI呈良好的线性关系。取合适电压U=3.51V，I=0.039A不变，改变LED与探测器间相对的角度，再测量功率随角度变化，得出数据整理为以下表2：表2 蓝光LED角度功率特性角度（）P1(W)P2(W)P3(W)P(W)-1614.189.0745.6719.641667-1423.2530.0626.0926.46667-1256.1448.7758.4154.44-10100.9102.6107.8103.7667-8225.7206.4215.5
