LED特性测量要点

1、LED特性测量实验者：林巧玲（11343046）合作者：洪艺江（12342020）组别：A14物理科学与工程技术学院光信息科学与技术专业实验时间：2015.05.27上午8:20实验地点：物理楼一、实验目的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V I特性曲线、P I特性曲线的测量。二、实验原理LED （light emitting diode ）即发光二极管，它属于固态光源。1发光二极管的基本原理发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片。当外加一足够高的正向偏压V时，电子和空穴将克服在 pn结处的势垒相遇、复合

2、，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。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。2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：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。（2） 光通量：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V （单位

3、是流明lm）。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，在明视觉探测器条件（亮度为3cd/m2以上）,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。通常，光通量的测量以明视觉条件作为测 量条件，可以用积分球来把LED发射的光辐射能量收集起来，并用合适的探测器将它线性 地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。第1页/共12页积分球又叫光度球(如图1)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

4、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。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。(3) 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。 要求光源是一个点光源，或者满足远场条件， 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。(4) 色温：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。(5) 发光效率：光源发出的光通量除以所消耗的功率v

5、(单位是lm/w )。它是衡量光源节能的重要指标。其中 lF, VF分别是发光二极管的正向电流和正向电压，v为光通量。(6)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。(7)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。(8) V I特性：满足Shockley方程:n2NaIeV!ekT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,GaN LED反向漏电流在 Vr = -5V时，反反向

6、电流及反向电压等参数。正常情况下常见的向漏电流Ir <10 A。(9) P I特性：即LED轴向光强与正向注入电流关系特性。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。测量电路及装置如图3和4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。第8页/共12页可调稳流 电流源光阑图4.LED P I特性测试装置图三、实验仪器LED (若干种类)、精密数显直流稳流稳压电源、数控式线性直流稳压电源LPS-305、积分球(=30cm)、智能型多功能光度计 Photo 2000J、通用标准光源、光功率计、直尺、

7、万 用表、导线等。四、实验内容及结果实验内容1. 测量LED光强空间分布(1) 连接实验电路，插入 LED样品(绿光和红光)注意正负极，取下光功率计探头软盖；打开数控式线性直流稳压电源LPS-305，设定电压为2.5V ;(3) 打开带衰减器的光功率计，按下“CAL”，用指甲旋转“CAL ADJ设置校准因子(绿光设置4.16,红光设置3.74),按下“CAL'弹出；(4) 关闭实验室大灯，使处于黑暗环境。转动“ ZERO旋钮调零；按下电源 输出开/关”，选择合适量程(由于功率较低，选择“ 20W)；(6) 旋转探头，观察光功率计读数，找到光强最大处，记录此时角度。由此分别往左右以2为步

8、长旋转探头角度，记录光功率计读数，直到光强较弱。(7) 重复以上步骤测量不同的LED样品。2. 测量LED发光效率(1)打开积分球，插入 LED样品(绿光、红光和黄光)注意正负极，关闭积分球；打开精密数显直流稳流稳压电源和多功能光度计，按下光度计的校零/ZERO”，显示“ zErO,”再按一次 校零/ZERO” ,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1 2分钟，直到 校零/ZERO指示灯灭，校零完毕；按下电源的“ ADJUST ”选择合适步长，从零开始转动电流、电压调节旋钮(“稳流”亮 时可调电流，“稳压”亮时可调电压)，慢慢增大输出电压至

9、2.5V左右，记录此过程的输出电流、电压值以及光通量；(4)重复以上步骤测量不同的LED样品。3. 测量LED的V-I曲线和P-I曲线(1) 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；(2) 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d =100mm;(3) 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2.5

10、V。作出LED V I特性曲线以及P I特(4) 重复以上步骤测量不同的LED样品。实验结果1.测量LED光强空间分布样品为绿光LED时，其在162°时光功率达到最大值 1.28叮；样品为红光LED时，其 在160°时光功率达到最大值2.6叮。分别以达到最大光功率时的角度为零点，则探头向左旋转(角度增大)为正，向右旋转(角度减小)为负，记录数据于表1。表1绿光和红光LED光功率和角度的关系角度（）-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20光强绿光-0e040.080.250.380.550.740.921.071.191.231.2

11、8(卩W)红光0.390.480.540.630.厂-0a78 ft off萨B.031.171.371.551.731.992.192.532.6Data: Data2_BModel: Gauss1 8quatio20二y0 + 2/2w*sqrt(P42)*eXp(?2*(x-X2)?/W)A2) 30 Weight ing:0.28 0l13eig0n09 0.04-1.37iA2/Do23 =10195151.09 1.02 0.99 0.96)wPTPO.0.5 -RA2=0.96437y00.59777±0.07201xc2.80677±0.35624w22.3

12、6464±1.29818A53.35337±4.38420.0 J-3o-20-1o010 2o Green Gauss fit of Data1_B1.4Angle( °1.2_1.0-Data: Data1_BModel: GaussEquatio n: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-xc)/w)A2)Weight ing:yNo weight ingy0-0.1089 ±0.04272xc0.63011±0.13114w20.68323±0.74011A36.19502±2.177

13、46ChiA2/DoF = 0.0014RA2= 0.99394-30-20-10 0 101i2030Angle( °利用表1数据作图（直角坐标和极坐标系），并对直角坐标系下的曲线进行高斯拟合, 如图5、图6和图7。图5.绿光LED光功率空间分布图（直角坐标）图6.红光LED光功率空间分布图（直角坐标）角度 ( °)-30-28-26-24-22光强 绿光-（卩W）红光0.390.480.540.630.72.5角度 ( °)2468102.0光）强 绿光1.261.21.070.980.8（£ W）红光sn2.582.492.42.222teIn 1

14、.00.5-240.0aussG41-61-8fit o0fD.9ata2_1B.03 1.17-8-29117129 a a55a1.37 1.551.73 1.99 2.193212.53Data: Data2_BModel: Gauss14161 8quatio20二yO + (A(w*sqr't(P42)*eXp(-2*(x-X2)?/W)A2) 30Weighting:0.490.40.2y8 0N.o1 w3eigh0ti.n0g9 0.04-1.621.481.3C7hiA2/D1o.F23 =10.10198151.091.020.990.96RA2= 0.96437y

15、00.59777±0.07201xc2.80677±0.35624w22.36464±1.29818A53.35337±4.38428212.6第 5 页/共 12 页0.0-30-20-1001020Gre3e0nGauss fit of Data1_B1.4Angle( °)Data: Data1_BModel: GaussEquation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-xc)/w)A2) Weighting:y No weightingWn(ytisnetn6400y0-0.1089 ±0

16、.04272xc0.63011±0.13114w20.68323±0.74011A36.19502±2.17746ChiA2/DoF = 0.0014RA2 = 0.99394-30-20-100102030Angle（ °）利用表 1 数据作图（直角坐标和极坐标系），并对直角坐标系下的曲线进行高斯拟合， 如图 5、图 6 和图 7。图 5.绿光 LED 光功率空间分布图（直角坐标）图 6.红光 LED 光功率空间分布图（直角坐标）角度 ( °)-30-28-26-24-22光强 绿光-（卩W）红光0.390.480.540.630.72.5角

17、度 ( °)2468102.0光）强 绿光1.261.21.070.980.8（£ W）红光sn2.582.492.42.222teIn 1.00.5-240.0aussG41-61-8fit o0fD.9ata2_1B.03 1.17-8-29117129 a a55a1.37 1.551.73 1.99 2.193212.53Data: Data2_BModel: Gauss14161 8quatio20二yO + (A(w*sqr't(P42)*eXp(-2*(x-X2)?/W)A2) 30Weighting:0.490.40.2y8 0N.o1 w3eigh

18、0ti.n0g9 0.04-1.621.481.3C7hiA2/D1o.F23 =10.10198151.091.020.990.96RA2= 0.96437y00.59777±0.07201xc2.80677±0.35624w22.36464±1.29818A53.35337±4.38428212.60.0-30-20-1001020Gre3e0nGauss fit of Data1_B1.4Angle( °)Data: Data1_BModel: GaussEquation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(

19、x-xc)/w)A2) Weighting:y No weightingWn(ytisnetn6400y0-0.1089 ±0.04272xc0.63011±0.13114w20.68323±0.74011A36.19502±2.17746ChiA2/DoF = 0.0014RA2 = 0.99394-30-20-100102030Angle（ °）利用表 1 数据作图（直角坐标和极坐标系），并对直角坐标系下的曲线进行高斯拟合， 如图 5、图 6 和图 7。图 5.绿光 LED 光功率空间分布图（直角坐标）图 6.红光 LED 光功率空间分布图

20、（直角坐标）第19页/共12页图7.发光效率图分析：由图7可知，在过了某一电压值后，LED的发光效率急剧上升，达到最大值后缓慢下降，这是由LED的热效应导致的，输入的电功率转化为热能，使发光效率降低。发光效率：绿光LED 黄光LED 红光LED。其中绿光LED发光效率要大大高于黄光 与红光，所以绿光 LED节能性能较好。这并不与上面的实验结果相冲突一一相同的正向偏压 2.5V下，红光LED的光功率大于IfVf绿光LED的光功率。这是由于发光效率指光源发出的光通量除以所消耗的功率与辐射功率不同，光通量体现的是人眼感受到的功率，是用来表示辐射功率经过人眼的视见函数影响后的光谱辐射功率大小的物理量。

21、对大量具有正常视力的观察者所做的实验表明， 在较明亮环境中人的视觉对波长为555.0nm左右的绿色光最敏感，这种人眼对各波长光谱敏感程度不同的性质可以由视见函数V（入表示，它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于6831m。因此，相同条件下绿光的光通量要大于红光与黄光。I-V曲线由表2作I-V曲线，并指数拟合，如图 8所示。 Gree nExpGro1 fit of Data4 B0.040_0.035.Data: Data4_B0 030>Model: ExpGro1Equatio n: y = A1*exp(x/t1) + y00.025_Weight ing:yNo weig

22、ht ing0.020 . /ChiA2/DoF= 4.0246E-60.015- /RA2= 0.97490.010 -y0-0.0103 ±0.00564A10.00045±0.000470.005-St10.53928±0.107980.000 - 0.005_1.82.02.22.42.6UN(a)绿光LED的l-V曲线YellowExpGro1 fit of Data9 B0.0250.0200.0150.0100.0050.0002.1U/V(b)黄光LED的l-V曲线0.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050.

23、000-0.005RedExpGro1 fit of Data15 BData: Data9_BModel: ExpGro1Equati on: y = A1*exp(x/t1) + y0Weight ing:y No weight ingChiA2/DoF = 9.0143E-7RA2=0.98717y0-0.00221±0.00123A10.00001±0.00001t10.3127 ±0.03452Data: Data15_BModel: ExpGro1Equatio n: y = A1*exp(x/t1) + y0Weight ing:yNo weight

24、 ingChiA2/DoF = 3.6361E-6RA2= 0.98019y0-0.00888±0.00447A10.00022±0.00023t10.46221±0.08144U/V(c)红光LED的l-V曲线图8.LED的l-V曲线分析:绿光LED阈值电压大致在 1.825V，黄光1.7545V，红光1.8202V。由图8可知，由于内建电场的关系，当正向电压低于阈值电压时，电流为零，LED不发光。当电压超过阈值电压时，电流急剧上升，呈指数增长趋势。根据Shockley方程，流过pn结的电流和两端电压的关系为：f 2-2eV 、/ eU 、I =eA直兀+胚山|

25、e肓-1 =ls e讦-1总TP Nd "n Na人 丿'丿(2)其中，e为电子电荷量，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度，Is是反向饱和电流。常温下kT0.26eV加正偏压时，U»kT，上式可化简为eU I =lsekTI-V曲线拟合结果：拟合相关系数：UIGreen =0.00045e°.53928 -0.0103UlYell°w =0.00001e0.3127 -0.00221UlRed =0.00022e0.46221 -0.008882 2 2Rsreen =0.9749Rfellow =0.98717RRed =0.98019。反向饱和

26、电流：sGreen= 450丨 sYellow =10 »Al$Red=220 从。可以看到，指数部分的分母并不准确为 0.26,而且不同LED各不相同并且相差很大， 这是由于化简的Shockley公式并不完全准确，实际上pn结之外的半导体材料和金属与半导 体的接触点都存在电阻，占有一定电压，而且不同LED的参数不同等。但我们仍可以认为实验所得I-V曲线呈指数递增，大致与理论相符。另外，曲线拟合结果不够好， 可能是由于电压并不完全为稳流稳压电源造成，也与LED的热效应，仪器灵敏度等有关。(3)P-I曲线由表2作P-I曲线，并线性拟合，如图9所示。1.21.00.8W 0.6W0.40

27、.20.0-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040l/AY = A + B * XParameterValueErrorA0.012910.01622B32.92402 0.74477RSD NP0.99517 0.04001 21<0.0001Linear Regression for Data3_B:(a)绿光LED的P-I曲线I/ALin ear Regressi on for Data5_B:Y = A + B * XParameter Value ErrorA-0.007750.00178B8.808480.1413

28、2RSD NP0.99769 0.00488 20<0.0001(b)黄光LED的P-I曲线Lin ear Regressi on for Data7_B:Y = A + B * XParameter Value ErrorA0.009580.00287B1.049750.13659RSD NP0.88119 0.007419 <0.0001(c)红光LED的P-I曲线图9.LED的P-I曲线分析:P-I曲线拟合结果:FGreen = 32.9240210.01291PYeiiow = 8.808481 - 0.00775PRed =1.049751-0.00958拟合相关系数：Rcreen =0.99517, RYei = 0.99769 , Rped =0.88119。绿光LED和黄光LED的拟合相关系数都达到 0.995以上，可以说 P-I呈线性关系，实 验结果与理论相符。绿光 LED的斜率为