LED特性测量实验

LED 特性测量实验 实验目的实验目的 1 了解 LED 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 V I 特性曲线 P I 特性曲线的测量 实验装置实验装置 LED 白光和黄绿光 精密数显直流稳流稳压电源 积分球 30cm 多功能光度计 光功率计 直尺 万用表 导线 支架等 实验原理实验原理 1 发光二极管的发光原理 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 p 型半导体和 n 型半导 体在相互接触的时候 由于两者的功函数或者说是费米能级的不同 p 区中的空穴就会流 向 n 区 而 n 区中的电子也会扩散到 p 区中去 同时产生内建电势差 产生耗尽层 当载 流子的扩散运动和漂移运动平衡时候 pn 结就达到平衡状态 如图 3 所示 pn 结正向偏置 的时候 内建电势差变小 势垒的高度变小 以载流子的扩散运动为主 电子和空穴就会 更容易克服势垒分别流向 p 区和 n 区 在 p n 结耗尽层处 电子和空穴相遇 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理论 图 3图 4 2 发光二极管的主要特性 1 光通量 LED 光源发射的辐射波长为 的单色光 在人眼观察方向上的辐射强度和人眼瞳孔对它所 张的立体角的乘积 称为光通量 V 单位是流明 lm 具体是指 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 光通量的测量以明视觉条件作为测量条件 测量光通量必须要把 LED 发射的光辐射能 量收集起来 可以用积分球来收集光能 测量的探测器应具有 CIE 标准光度观测者光谱效 率函数的光谱响应 LED 器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射 使整个球壁上的照度 均匀分布 可用一置于球壁上的探测器来测量这个光通量成比例的光的照度 基于实验室 提供的资料 由积分原理 积分球内任一没有光直接照明的点的光照度为 其中为光源的光照度 为积分球的半径 为积分球内壁的反射 2 41 E R R 率 所以测量得到球壁上任一点的光照度就可以求得光源的光通量了 2 发光强度 发光强度表示在指定方向上光源发光的强弱 若某个光源在法线方向上 辐射强度为 1 683 W sr 即一单位立体角度内光通量为 1 流明时 则称其发光强度为 1 坎德拉 candela 符号为 cd 要求光源是一个点光源 或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相 比足够小 这种要求被称为远场条件 一般使用 CIE 推荐的 平均发光强度 的概念 照 射在离 LED 一定距离处的光探测器上的通量 与探测器构成的立体角的比值 CIE 对近场条件下的 LED 测量 有两个推荐的标准条件 CIE 标准条件 A 和 B 两个条 件都要求所用的探测器有一个面积为 1cm2的圆入射孔径 LED 面向探测器放置 并且保证 LED 的机械轴通过探测器的孔径中心 本实验中使用的是亮度比较低的 LED 所以使用条件 B 使 LED 顶端到探测器的距离为 100mm 3 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 其计算关系式定义为 其中 分别是发光二极管的正向电流和正向电压 V V FF I V F I F V 4 V I 特性 由于在耗尽层中的载流子复合有一定的几率 在正向电压小于阈值电压时 耗尽层中 的载流子很少 复合几率也比较低 正向电流极小 不发光 当电压超过阈值后 正向电 流随电压迅速增加 由 V I 曲线可以得出 LED 的正向电压 反向电流以及反向电压等参数 5 P I 特性 P I 特性就是 LED 的轴向光强与正向注入电流关系特征 我们用光功率计来测量它的 P I 特性测试图如图 2 所示 五 实验步骤 1 开始实验前先认真阅读精密数显直流稳流稳压电源 积分球 30cm 多功能光度 计等的使用说明和注意事项 熟悉仪器 2 设置精密数显直流稳流稳压电源的电压输出为 0V 连接好积分球和稳压源的导线 将 待测的 LED 放入积分球内 关好积分球 3 设置电压不断改变电压的数值 对于黄绿光 LED 直到 2 4V 为止 对于白光 LED 到 3 5V 为止 记录每个电压值对应的电流值以及光通量值 得到 V I 特性曲线和光通量的变化曲 线 计算得到各个 LED 的发光效率 4 如图 2 所示将 LED 从积分球中取出 安装在支架上 使 LED 顶端到光功率计的距离为 100mm 在黑暗条件下 在给 LED 偏置电压之前 调节光功率计的零点 然后逐渐增加电压 观察并记录电流和光功率的关系 得到 LED 的 P I 特性曲线 实验电路图实验电路图 mA V 可调稳 流电压 源 图 1 LED V I 特性测试电路图 mA V 光阑 光功率计 图 2 LED P I 特性测试装置图 实验步骤实验步骤 1 开始实验前先认真阅读精密数显直流稳流稳压电源 积分球 30cm 多功能光度 计等的使用说明和注意事项 熟悉仪器 2 设置精密数显直流稳流稳压电源的电压输出为 0V 连接好积分球和稳压源的导线 将 待测的 LED 放入积分球内 关好积分球 3 设置电压不断改变电压的数值 记录每个电压值对应的电流值以及光通量值 得到 V I 特性曲线和光通量的变化曲线 计算得到各个 LED 的发光效率 4 将 LED 从积分球中取出 安装在支架上 使 LED 顶端到光功率计的距离为 100mm 在黑 暗条件下 在给 LED 偏置电压之前 调节光功率计的零点 然后逐渐增加电压 观察并记 录电流和光功率的关系 得到 LED 的 P I 特性曲线 实验数据处理实验数据处理 1 测量 LED 灯光通量 计算发光效率 蓝色 LED 测得的电压 电流 光通量及计算得的发光效率如下表所示 电压 V电流 mA光通量 lm发光效率 2 50111 300 2 56221 300 2 6241 40 038 166376 2 68581 60 0818 61643 2 809520 5292 54316 2 891532 09240 9361 3 01514 13 82309 0137 3 076155 44353 6946 3 13796 37 33370 7869 3 19967 89 45378 6531 3 2406910 98376 4735 3 281510 312 69375 4499 3 302511 113 67372 9089 3 343412 715 65368 572 3 364313 616 81367 3957 3 384414 617 93362 8656 3 405215 619 08359 1792 3 42616 620 29356 7686 3 446217 821 53350 981 3 466919 122 85345 0734 3 48720 424 3341 605 3 507921 825 76336 8544 3 528723 227 19332 1288 3 548924 828 78326 9982 3 569726 530 48322 2088 3 589828 232 32319 2655 3 589828 832 73316 5798 由上表可作得电压与发光效率的关系曲线 可见 在一定范围内 发光效率大致随电压的增大而增大 绿色 LED 测得的电压 电流 光通量及计算得的发光效率如下表所示 电压 V电流 mA光通量 lm发光效率 2 282700 2 385500 11 2 550201 84 2 714703 76 2 77560 55 664078 397 2 85831 110 083205 974 2 96122 220 433136 014 3 0233 229 933093 988 3 0844 441 713073 783 3 14585 955 833008 046 3 18677 366 762869 804 3 22858 778 12780 552 3 24859 583 982721 256 3 269410 390 12675 59 3 289311 296 172610 466 3 310412 2102 642541 419 3 331313 4110 132467 102 3 351314 4116 532414 693 3 372215 6123 482347 246 3 392216 8130 152283 776 3 413118 1137 162220 24 3 43419 5144 372155 967 3 45420 9151 442097 838 3 47522 4158 732039 183 3 49523 9166 181989 453 3 515925 9173 671907 166 3 536927 7181 321850 73 3 556829 6188 621791 582 3 517731 9197 151756 901 3 597734 4205 041656 743 由上表可作得电压与发光效率的关系曲线 可见 在一定范围内 发光效率大致随电压的增大而减少 2 测量 LED V I 特性曲线以及 P I 特性曲线 绿色 LED 测得电压 电流和功率如下表所示 电压 U V电流 I A功率 mW 2 80 0040 2 90 0050 30 0070 001 3 050 0070 001 3 10 0080 002 3 150 0090 003 3 20 010 003 3 250 0120 004 3 30 0130 005 3 350 0140 006 3 40 0160 007 3 450 0180 009 3 50 0210 01 3 550 0230 011 3 60 0270 013 3 650 0310 015 由上表可作得 LED V I 特性曲线以及 P I 特性曲线 如下图所示 可见 当电压大于 2 9v 时 电流与功率大致随电压的增大而增大 可以推知 该 LED 的导通电压约为 2 9v 红色 LED 测得电压 电流和功率如下表所示 电压 U V电流 I A功率 mW 1 500 1 600 1 6500 001 1 70 0020 006 1 750 0070 013 1 780 0090 013 1 80 0120 021 1 820 0150 024 1 850 020 032 1 870 0230 032 1 90 0260 039 1 950 0340 046 20 0410 052 由上表可作得 LED V I 特性曲线以及 P I 特性曲线 如下图所示 可见 当电压大于 1 6v 时 电流与功率大致随电压的增大而增大 可以