试验八LED参数的测量和研究综述

1、实验八 LED 参数的测量和研究一、实验目的1. 了解LED的原理和基本特性；2. 测试LED/LD的功率电流 （P-I ）特性和电压电流 （V-I ）特性，并计算阈值电流3.二、实验内容1. LED 发光二极管的 V/I 特性测试实验2. LED 发光二极管的 P/I 特性测试实验三、实验仪器多功能光度计，照度计， LED，万用电表，电流表，计算机，专业软件，直尺四、实验原理1、 LED 工作原理LED （Lighy Emitting Diode ）又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材 料，当两端加上正向电压， 半导体中的载流子发生复合， 放出过剩的能量而引起光子发射产 生可见光

2、。LED大多由 - 族化合物，如 GaAs（砷化镓）、 GaP（磷化镓）、 GaAsP（磷砷化镓） 等半导体制成的，其核心是 PN结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N 特性，即正向导通，反向 截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由 N 区注 入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。进入对方区域的少数载流子 （少子）一部分与多数载流子 （多 子）复合而发光，如图 1 所示。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。 发光二极管有两种类型： 一类是正面发光型 LED ，另一类是侧面发光型 LED ，其结构示于图 1.图 1 LED

3、 发光原理发光二极管所发之光并非单一波长，如图 2 所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长 0 的光强最大，该波长为峰值波长。理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度 g 有关，即 1240/Eg（nm）式中 Eg 的单位为电子伏特（ eV）。若能产生可见光（波长在 380nm 紫光 780nm 红光），半导体材料的 Eg 应在 3.26 1.63eV 之间。2、 LED的 V-I 特性LED是半导体光电子器件， 其核心部分是 P-N 结。因此其具有与普通二极管相类似的 V-I 特性曲线，如图 3 所示。在正向电压正小于某一值时，电流极小，不发光；当电压超过某一 值后，正

4、向电流随电压迅速增加，发光。我们将这一电压称为阈值电压或开门电压。图3 LED的V-I 特性曲线 图4 LED的P-I 特性曲线3、LED/LD 的 P-I 特性在结构上，由于 LED与 LD 相比没有光学谐振腔。因此， LD和 LED的功率与电流的 P-I 关系特性曲线则有很大的差别， 如图 4 所示。LED的 P-I 曲线基本上是一条近似的线性直线， 只有当电流过大时，由于 PN结发热产生饱和现象，使 P-I 曲线的斜率减小。对于半导体激光器来说，当正向注入电流较低时，增益小于0，此时半导体激光器只能发射荧光；随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益大于0，但尚未克服损耗，在腔内无法

5、建立起一定模式的振荡， 这种情况被称为超辐射； 当注入电流增大到某一数值时， 增益克服损耗，半导体激光器输出激光，此时的注入电流值定义为阈值电流Ith 。由图 4 可以看出， 注入电流较低时， 输出功率随注入电流缓慢上升。 当注入电流达到并超出阈值电流后， 输出功率陡峭上升。 我们把陡峭部分外延， 将延长线和电流轴的交点定义为阈 值电流 Ith 。只有在工作电流 I f I th部分， P-I 曲线才近似一根直线。而在 I fI th部分， LD输 出的光功率几乎为零。4. 光学参数 作为照明用光源的 LEO ，其应被了解的光学性能的项目与其它光源应是一致的，它们主要 包括光强、光强 （空间

6、）分布、光通量 （及发光效率 ）、光亮度、光谱功率分布、色坐标、显色 指数、相关色温等。其中光强、光通量、色坐标、显色指数和色温应是必须提供的指标。1. 光通量 ： 是计量光源被人眼所观察时呈现的光功率，光通量的单位为lm （流明）。其表达式：Km 0 e（ ） V（ ） de （）为辐射通量， V（ ）为视觉函数， K=683 lm/W。2. 光源的发光效率 ： CIE（国际照明委员会）定义光源发出的光通量与耗费电功率之比值称之为该光源的发光效 率。公式如下，常见光源的发光效率780Km 380 e V（ ）d PP3. 发光强度：发光强度是指光源在指定方向上的单位立体角内发出的光通量， 也

7、就是说光源向空间某一方 向辐射的光通密度。符号用 I 表示，国际单位是 candela （坎德拉）简写 cd 。光强代表了 光源在不同方向上的辐射能力。通俗的说发光强度就是光源所发出的光的强弱程度。图 5 发光强度示意图图 6 光照度示意图4 光照度 E ：在被照物体表面上， 单位面积内接受到的光通量称为光照度， 它是表征表面被照明程度的 量 ，单位是勒克斯（ lx ）E d dS该单位较小， 满月夜晚的地面照度约为 0.2 lx ，白天采光良好的室内照度为 100 500 lx ， 晴朗的室外太阳非直射下的地面照度为103104 lx ，而中午太阳直射下的地面照度可达5105 lx .一般推

8、荐办公室的平均水平照度为 5001000 lx ；在商业照明中， 推荐的垂直照度平均 值为 300 500 lx .对于点光源，若在某一方向上的发光强度为I ，那么在该方向上离开光源的距离为r 处的照度 E=，即照度与离开光源的距离平方成反比。5. 光亮度： 光亮度（辉度，亮度） ： 光源在垂直其辐射传输方向上单位面积单位立体角内发出的光通 量亦或是单位投射面积上的光强度。 光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定 方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比。 对于一个漫散射面， 尽管各个方向 的光强和光通量不同， 但各个方向的亮度都是相等的。 电视机的荧光屏就是近似于这样的漫 散

9、射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。其单位为 cd/m2 。表达式：6. 光出射度： 它是指光源上每单位面积向半个空间（ 2 球面度）内发出的光通量。光源表面上某一微 小面元 dS 向半个空间发出的光通量为 d ，则此面元的光出射度为： M=d /dS ，M 的单位 为 lm/ 。光出射度在数值上等于通过单位面积所传送的光通量。这里需要指出的是， 这里研究的面光源不仅指自身能发光的光源（白炽灯灯丝等） ，也可以指光源的像或自身并不发 光而在受到光照后成为光源的表面。 对于后者情况， 其光出射度与该表面被照明的程度有关。7. 辐射通量： 在辐射度学中， 辐射通量或辐射功率是对单位时

10、间内通过某一面积的所有电磁辐射 （包括红 外、紫外和可见光） 总功率的度量， 既可以指一辐射源发出辐射的功率，也可以指到达某一 特定表面的辐射能量的功率。8. LED 相对光谱能量分布 P（ ）发光二极管的相对光谱能量分布 P（ ） 表示在发光二极管的光辐射波长范围内， 各个波 长的辐射能量分布情况， 通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示。 如图 2-4 所示， 表 示各个不同颜色 LED的相对光谱能量分布曲线。一般而言， LED发出的光辐射，往往由许多 不同波长的光所组成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同。 LED 辐射能量随着波长 变化而不同， 绘成一条分布曲线相对光谱能量分布曲

11、线。 当此曲线确定之后， 器件的有 关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及 PN结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式 无关。图 2-4 绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。图7 LED 光谱分布曲线 其中：1. 蓝色 InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰p=460465nm2. 绿色 LED，发光谱峰 p=550nm3. 红色的 LED，发光谱峰 p=680700nm4. 红外 LED，发光谱峰 p=910nm5. 硅光电二极管9. LED 的峰值波长 p 和光谱半波宽 LED 相对光谱

12、能量分布曲线的重要参数用峰值波长 p 和光谱半波宽 这两个参数表 示。无论什么材料制成的 LED，都有一个相对光辐射最强处，与之相对应有一个波长，此波 长为峰值波长， 它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定。 光谱半波宽 定 义为相对光谱能量分布曲线上， 两个半极大值强度处对应的波长差， 如图 2-5 所示， 它标志 着光谱纯度，同时也可以用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散度，LED的发光光谱的半宽度一般为 30 100nm，光谱宽度窄意味着单色性好， 发光颜色鲜明， 清晰可见。图 8 光谱半波宽 五、实验测试方法1 光强的测量由于 LED 形状各异， 对其光线追迹发现，

13、 LED各个区域发出的光线有不同的聚焦点如图，因此 LED 不能以点光源来描述，这给发光强度的测量带来困难。图 7 光源测试图如图所示， 点光源光强在空间个方向均匀分布， 在不同的距离处用不同接收孔径的探测器接 收得到的测试结果都不会改变， 但是 LED由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离 和探测器孔径变化，因此 CIE127 提出了两种测试条件使得各 LED在同一条件下进行光强测 试与评价，文件对发光强度测量做以下规定：远场（条件 A）为 316 mm,对应的立体角为 0.001 Sr; 近场（条件 B）为 100 mm,对应的立体 角为 0.01 Sr 。二者之间可以相互转换 ,远

14、场测量结果乘以 10 就得到近场测量结果。 CIE 明确规定 LED测量距离为从 LED的外壳顶端到探测器光灵敏面 , 而且还规定了探测器光 敏面的面积为 （10 10）mm2。发光强度测试方法 : 将 LED和标准照度探测器安装在光具座上 , 使 LED 的几何中心线与标准探测器表面垂直。分别测量在远场为316 mm 和近场为 100 mm的照度 ,然后按照公式 I E D 2编制算法 ,求出远场和近场发光强度。 A 和 B测量条件并不 严格按照光强定义进行测量，因此称为 “平均发光强度” 。图 8 CIE 推荐 LED 平均法向发光强度的测量方法2.光通量的测量测量 LED 总光通量的方法

15、有绝对法和相对法两种。 绝对法是测量光源发光强度的空间分布， 再由此计算得出 LED 的总光通。这种方法原则上对任何种类的光源均适用且能达到高准确 度，但是测量和计算都较为费时费力。相对法是将被测 LED 与总光通量己知的标准光源进 行比较而求得总光通量的方法， 常用的测量仪器是积分球。 这种方法的测量和计算都简单易 行，因而被广泛采用 ，在测量 LED 光源的光通量时，采用相对法，利用积分球进行测量。 其测试原理如图 5 所示 :图 9 光通量测试原理图 光源光通量校零、定标与测试1、校零 注意：仪表在出厂时已校零，未经厂家许可，不得随意校零！ 每次校零后均需重新定标。2、定标、测试图10

16、光源光通量测试示意图如图 10 所示，光通量测试系统由积分球、光度探测器、光度计三部分组成。光通量的测量 采用相对比较的方法，即应先用光通量标准 PHOTO-2000 灯对整个系统进行定标，再对被测 灯进行测量。六、实验步骤1. 伏安特性测试自行设计测试电路，经老师检查后才能进行实验。考虑以大功率 LED 灯为例， LED 接 上精密稳压源正负极，调节输出电压记录输出电流。通常情况下，负载电压在 5V 左右时， LED 才开始发光，即在 5V 左右才开始有输出电流。此大功率 LED 灯的额定功率在 20W 左右，测试时功率不要超过 25W ，并密切注意 LED 灯的发热情况，避免烧坏。由于输出

17、 电压旋钮和输出电压旋钮是相互影响的，调节时可适当旋转两个旋钮。另外稳压源有粗调、 中调、细调三个档位，注意配合使用。发光二极管的伏安特性测试最高电压不能超过3V 。伏安特性测试，并绘制出发光二极管和大功率 LED的伏安特性曲线次数nl2345678910U（V）I（mA）2. 光通量测试（1）、按图 10 连接好测试系统 .（2）、在积分球内按规定方位装上光通量标准灯（要求标准灯与被测光源在几何形状、光 谱分布等方面接近，越接近，测试准确度越高）。用电压、电流表监测，慢慢将标准灯的电 压或电流由零增加到其标定值。（3）、打开 PHOTO-2000 多功能光度计电源，监测标准灯的稳定性。将标准

18、灯点亮约30分钟，稳定后开始定标。将背面开关锁拨至“ CAL ”位。（4）、按显示窗口下的“ ”键使光度计工作于光通量测试状态（“光通量”和“lm”指示灯亮） 。按“定标 /CAL ”键，仪表进入预光通量定标状态， 显示窗口显示 “CAL” “定标 /CAL ”指示灯亮。再按“定标 /CAL ”键，仪表进入光通量定标状态，窗口显示上一 次定标值。用“”、“”、“ ”三键设定，使仪表显示值与此时标准光通量值一致。 按“定标 /CAL ”键，仪表将显示出光通量定标系数。 记下此光通量定标系数， 再按“定标 /CAL 键，稍后“定标 /CAL ”指示灯灭，将背面的开关锁旋回“ TEST ”位，定标完成。“”、 “”、“ ”三键的用法见第四章。（5）、将积分球内的标准灯换成被测光源，使被测光源点亮于额定工作状态，此时光度计 窗口所显示的值即为该被测光源的光通量值。 注意，定标后， 探测器与积分球的相对位置必 须固定不动，否则必须重新定标。次数nl2345678910U（V）I(A)( lm)3. 发光强度测试众所周知， 各向同性的点光源发出的光所产生的照度与发光强度 Iv 成正比， 与方向角的余弦 （COS）成正比，与距离光源的距离平方成反比。将大功率 LED 灯的工作电压调节在拐点前的直线附近，分别测量照度计探头与LED光源之间的距离为