LED特性及光度测量实验

LED 特性及光度测量实验特性及光度测量实验 摘要 摘要 简述了 LED 的发光原理与特性 并对绿光 蓝光 白光 LED 的 V I 特性 P I 特性 发光效率 以及光强的角度分布等光度学特性进行测量 探究 LED 的发光特性 关键词 LED 光度测量 一 实验原理概述 1 LED 结构与发光原理 LED 是英文 light emitting diode 发光二 极管 的缩写 它属于固态光源 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 起到保护内 部芯线的作用 如图 1 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型 半导体组成的晶片 在p型半导体和n型半导体之 间有一个过渡层 称为p n结 跨过此p n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2 a 所示 作为这一相互扩散的结果 在p n结处形成了一个高度的e V的势垒 阻止电子和空穴的 进一步扩散 达到平衡状态 见图2 b 当外加足够高的直流电压 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 p n 结处的势垒 分别流向 p 区和 n 区 在 p n 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 选择可以改变半导体的能带 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 图 2 2 发光二极管的主要特性 a 光谱分布 峰值波长和光谱辐射带宽 发光二极管所发之光并非单一波长 其波 长具有正态分布的特点 在最大光谱能量 功率 处的波长成为峰值波长 即使有两个 LED 的峰值波长是一样的 但它们在人眼中引起的色感觉也是可能不同的 光谱辐射 带宽是指光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔 它表示发光管的光谱纯度 b 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 555nm 上有最大值 此 时 1W 辐射通量等于 683lm 如图 3 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 图 3 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 c 通常 光通量的测量以明视觉条件 作为测量条件 在测量时为了得到准确 的测量结果 必须把LED发射的光辐射 能量收集起来 并用合适的探测器 应 具有CIE标准光度观测者光谱光效率函 数的光谱响应 将它线性地转换成光电 流 再通过定标确定被测量的大小 这 里可以用积分球来收集光能量 如图4 积分球又叫光度球 是一个球形空腔 由内壁涂有均匀的白色漫反射层 硫酸 钡或氧化镁 的球壳组装而成 被测LED置于空腔内 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 与光通量成比例的光的照度 基于积分球的原理 图4挡屏的设计是为了避免LED光直 射到探测器 球和探测器组成的整体要进行校准 同时还要关注探测器与光谱光视效 率V 的匹配程度 使之比较符合人眼的观测效果 d 发光强度 发光二极管的发光强度取决于 p n 结中辐射型复合机率与非辐射型复 合机率之比 通常是指法线方向上的发光强度 若在该方向上辐射强度为 1 683 W sr 即一单位立体角度内光通量为 1 lm 时 则称其发光强度为 1 坎德拉 candela 符号为 cd 发光强度的概念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 但在实际中往往没有达到 这样的要求 不能严格测出 LED 的发光强度 CIE 关于近场条件下的 LED 测量 有两 个推荐的标准条件 CIE 标准条件 A 和 B 这两个条件都要求 所用的探测器有一个面 积为 1cm2 对应直径为 11 3mm 的圆入射孔径 LED 面向探测器放置 并且要保证 LED 图 4 积分球结构示意图 的机械轴通过探测器的孔径中心 两个条件的主要区别是在于 LED 顶端到探测器的 距离 立体角和平面角 全角 的不同 如表 1 所示 表格 1 CIE 平均 LED 发光强度标准测试条件 LED 顶端到探 测器的距离 d 立体角 平面角 全角 应用 标准条件 A316mm0 001sr2 窄视角 LED 标准条件 B100mm0 01sr6 5 一般 LED e 色温 不同的光源 由于发光物质成份不同 其光谱功率分布有很大差异 一种 确定的光谱功率分布显示为一种相应的光色 人们用黑体加热到不同温度所发出的不 同光色来表达一个光源的颜色 称作光源的颜色温度 简称色温 用光源最接近黑体 轨迹的颜色来确定该光源的色温 这样确定的色温叫做相关色温 f 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 发光效率 V V FF I V 其中 分别是发光二极管的正向电流和正向电压 V为光通量 F I F V g 显色性 光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性 也就是颜色的逼真程度 国际照明委员会 CIE 把太阳的显色指数 ra 定为 100 h 正向工作电压 VF 正向工作电压是在给定的正向电流 IF 下得到的 一般是在 IF 20mA 时测得的 i V I 特性 在正向电压小于阈值时 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 10 A j P I 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 P I 特性 图 5 V I 特性测量电路 左 与 P I 特性测量电路 右 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 及装置如图 5 所示 根据 CIE127 1997 标准 取 LED 到探测器端面距离 d 100mm 探测器接收面直径 a 11 3mm 二 实验用具 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 三 实验步骤 1 测量 LED 发光稳定性 2 测量待测 LED 的光通量 并计算其发光效率 3 测量 LED 的发光强度 V I 特性曲线以及 P I 特性曲线 四 实验数据处理及结果分析 1 测量 LED 发光稳定性 点亮绿光 LED 进行预热 调节正向电流为 30mA 每 2min 记录 一次积分球读数 数据如下表 2 表格 2 绿光 LED 稳定性记录表 n12345678910 v lm2 212 212 222 222 222 222 222 222 222 22 调节正向电流 39mA 测量蓝光 LED 的发光稳定性 数据如表 3 表格 3 蓝光 LED 稳定性记录表 n12345678910 v lm0 630 630 630 630 630 630 640 640 640 64 调节正向电流 48mA 测量白光 LED 发光稳定性 数据记录如表 4 表格 4 白光 LED 稳定性记录表 n12345678910 v lm5 115 095 095 095 085 085 085 075 075 07 从表格 2 与表格 3 的数据可以看出 绿光 LED 与蓝光 LED 分别在 30mA 和 39mA 预热 电流下 发光稳定 两份数据中都出现了一次细微的上升 这主要是电源在调节后一段时 间才稳定下来导致的 但从表格 4 中 可以发现白光 LED 在预热电流 48mA 下与前面绿光 LED 和蓝光 LED 所表现出来的稳定发光截然不同 白光 LED 随着通电时间增长 光通量开 始降低 这是应该是预热电流取值较大导致的 电流较大导致器件热效应变大 使得器件 温度上升 而 LED 发光效率与温度是负相关的关系 因此 出现了光通量逐渐减小的现象 2 测量绿光 蓝光 白光 LED 的 V I 特性 以及发光效率 将绿光 LED 安装在积分球中 调节正向电压 并记录正向电流和积分球得到的光通量 值 数据记录如下表 5 表格 5 绿光 LED 记录表 U V0122 52 72 82 913 01 I mA00000013 v lm00000 050 170 380 71 P mW0000002 919 03 lm W130 58 78 63 U V3 063 123 173 223 263 323 373 4 I mA59131823303744 v lm0 911 181 431 731 982 242 522 73 P mW15 328 0841 2157 9674 9899 6124 69149 6 lm W59 48 42 02 34 70 29 85 26 41 22 49 20 21 18 25 发光效率 v IU 从表格 5 中可以看出 当电压达到某个阈值时 开始出现电流 LED 开始工作 图 6 为绿 光 LED 的 U I 特性曲线 图 6 绿光 LED U I 特性曲线 图 6 中拟合曲线方程为 2 72 10 7 0 179 1 根据理论 在一定简化假设情况下 肖克利方程 Shockley Equation 给出了一般二极 管流过 PN 结的电流与两端电流的关系为 1 1 式中 q 为电子电荷量 k 为波尔兹曼常数 q 1 60 10 19 T 为热力学温度 1 1 38 10 23 可见 拟合出来的曲线与肖克利方程有相同的形式 但是常温下 肖克利方程给出的 UT 26mV 与实验中得出的 179mV 差距很大 这是因为肖克利方程适用的是一般二极管 一般二极管只有少量电子空穴复合 电子空穴主要是充当载流子 而发光二极管中 电子 空穴不仅要充当载流子更要发生复合 对外辐射光子 因此对应的 温度电压当量 暂称 为电压系数 会远大于一般二极管对应的温度电压当量 并且发光二极管的温度电压当量 取决于发光波长以及制作工艺 对蓝光 LED 进行相同的操作 数据记录如表 6 表格 6 蓝光 LED 记录表 U V02 522 712 812 913 013 063 12 I mA000127912 v lm0000 040 090 170 210 26 P W0002 815 8221 0727 5437 44 6 94 U V3 163 223 263 313 373 413 463 5 I mA1417212529343943 v lm0 310 360 410 460 520 570 640 67 P W44 2454 7468 4682 7597 73115 94134 94150 5 7 01 6 58 5 99 5 56 5 32 4 92 4 74 4 45 发光效率 v IU 作出 U I 特性曲线如下图 图 7 蓝光 LED U I 特性曲线 图 7 中曲线拟合方程为 相关系数 R 1 56 10 4 0 278 1 2 0 9868 与绿光 LED 的 U I 特性曲线进行对比 可以发现两者均符合指数上升规律 但蓝 光 LED 对应的电压系数要比绿光 LED 要大 再对白光 LED 进行同样分析 数据记录于表 7 表格 7 白光 LED 数据记录表 U V02 52 62 712 812 913 013 06 I mA00000245 v lm000 030 120 350 671 11 33 P W000005 8212 0415 3 lm W U V3 123 163 223 273 323 373 413 46 I mA89121416202225 v lm2 212 482 783 093 373 66 P W24 9628 4438 6445 7853 1267 475 0286 5 lm W65 71 67 16 57 19 54 17 52 33 45 85 44 92 42 31 U V3 513 563 613 673 723 773 81 I mA28313538414446 v lm3 914 164 364 624 794 965 12 P W98 28110 36126 35139 46152 52165 88175 26 lm W39 78 37 69 34 51 33 13 31 41 29 90 29 21 作出 U I 特性曲线如下 图 8 白光 LED 伏安特性曲线 图 8 中拟合曲线方程为 相关系数 R 5 39 10 3 0 416 1 2 0 9664 白光 LED 与蓝光 绿光 LED 相似 伏安特性具有指数上升规律 但白光 LED 对 应的电压系数比蓝光与绿光都要大 综上 三种颜色的 LED 具有类似的伏安特性 原因在于 LED light emitting diode 本 质上是一种二极管 所以会具有二极管的伏安特性 而从上面拟合出来的伏安特性曲线可 以猜测 拟合方程中的电压系数与发光波长呈负相关 与发光效率呈正相关 下面作出 3 种 LED 对应的发光效率 与电流 I 的关系图 从表中出现光通量不为 0 而 电流为 0 的情况可以知道电流表灵敏度较低 应用公式计算发光效率 在低电流情况下 应会出现较大误差 因此在作出发光效率与电流之间的关系时 舍去 i 10mA 的数据点 下面作出 I 曲线 图 9 图 9 三种 LED 的 I 曲线 从图 9 可以清晰看出 白光 LED 的光效率最大 绿光 LED 第二 蓝光 LED 光效最低 图中分别对 3 种 LED 的 I 数据进行拟合 发现三种 LED 均存在相关系数很高的指数衰减拟 合 三种 LED 对应的拟合曲线方程如下 绿光 LED 相关系数 R2 0 9995 14 45 40 47 0 053 蓝光 LED 相关系数 R2 0 9960 3 81 6 67 0 053 白光 LED 相关系数 R2 0 9976 18 86 60 65 0 038 对于发光效率 随电流的增大而呈现出指数衰减的特点 仍是 LED 领域一个重要的方 向 目前关于它的成因还没有一个定论模型 主要认为它是由于 1 载流子泄露 2 空穴注入效率低 3 Auger 复合等原因造成 2 现阶段认为载流子泄露机制在其中起重 要作用 但造成载流子泄露的机制比较复杂 载流子泄露电流与注入电流之间关系有一个 经验公式 这是导致发光效率随电流增大而呈现出指数衰减的现象一个可能的解释 3 测量三种 LED 的 P I 特性曲线以及光强空间角度分布 实验电路光路如下图 图 10 实验电路光路图 实验中并没有采用 CIE 提供的平均光强测试标准条件 但实验主要考察三种 LED 的 P I 关系的异同 故不采用标准条件影响不大 实验数据记录如表格 8 表格 8 三种 LED 平均光强记录表 I mA0113571115192431 P W0045109207276352444530616695 I mA374863 绿光 P W762773780 I mA1244691113181927 P W61745426689104124157175208 I mA30283438 蓝光 P W222228251262 I mA1124671011141619 P W62983159206256314370430484543 I mA21242730333639424650 白光 P W603656700744795835878914946984 分别做的 P I 曲线如下 从图 11 到 13 可以定性的观察到在电 流较小的时候 轴向平均光强与电流接近 线性 但随着电流的继续增大 平均光强 的增长开始减缓 到最后几乎不增长 这种现象的原因首先是之前所提到的 载流子泄露产生漏电流造成的影响 实际 工作电流小于注入电流 而且随着注入电 流的增大 漏电流占的比重也越大 使得 发光效率降低 从而使 P I 脱离线性 其次还有电流越大 电子空穴复合效 率越低 最终复合趋于饱和等原因 最后是 LED 光强空间角度分布 三种 LED 数据记录如下表 表格 9 LED 光强角度分布表 475767778185878990 P W3716106235430544652694 91939597101105107117137 绿光 P W6896074623381898560100 646872767880828486 P W810132128375586133 889092949698100102104 P W18019818214611187412921 106108110112114116120 蓝光 P W19171411865 527276788082848688 P W163240133150357405576725 9092949698100102104106 P W7947887065533842541549050 110130 白光 P W3416 表中角度是以 LED 轴向为 90 进行转化的 为了形象分析 将上表数据在极坐标上 角度 为极角 光强为极径作图得 图 11 绿光 LED P I 特性曲线图 12 蓝光 LED P I 特性曲线 图 13 白光 LED P I 特性曲线 图 14 绿光 LED 光强角度分布图 图 15 绿光 LED 光强角度分布图 从上面三幅图可以形象的看出 样品 LED 封装时设有反射腔 光强只集中在轴向范围 的一个小角度里 全角大概为 20 另外可 以看出白光 LED 轴向附近的曲线比较饱满 这可能是由于白光 LED 使用了荧光粉 而荧 光粉发光方向不一致 封装后的反射腔不能 很好的使它汇聚 五 问题讨论 1