LED特性測量 實驗報告

1、led特性及光度測量實驗蘇劍邦 a8 學號：08323016中山大學物理科學與工程技術(shù)學院 光信息科學與技術(shù)郵政編碼：510275 中國圖書館分類號：o43摘 要：通過設(shè)計簡單的測試裝置，并對發(fā)光二極管進行vi特性曲線、pi特性曲線的測量，了解發(fā)光二極管的發(fā)光機理、光學特性與電學特性，并掌握其測試方法。本文記錄了紅光led和綠光led的電流、電壓、功率和光通量測量數(shù)據(jù)，以此研究探討led發(fā)光器件的發(fā)光特性。關(guān)鍵詞：led vi特性 pi特性 光度measurement of the characteristics and luminosity of ledsujianbang a8 id: 0

2、8323016school of science and engineering of sun yat-sen universitypostal code: 510275 abstract: this essay study the optical and electric characteristics of led by measuring its v-i curve and p-i curve. in this essay, data of electric current, voltage, power and luminous flux of led are recorded in

3、order to study its characteristics.keyword: led, v-i characteristic, p-i characteristic, luminosity【實驗原理】led是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它屬于固態(tài)光源，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用（如圖一）。常規(guī)的發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)如圖二所示，主要分為襯底，外延層（圖2中的n型氮化鎵，鋁鎵銦磷有源區(qū)和p型氮化鎵），透明接觸層，p型與n型電極、鈍化層幾部分。 圖2、常規(guī)ingan /

4、藍寶石led芯片剖面圖發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導np電場evpnnphh（a）（b）（c）電子的電勢能電子的電勢能體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)?？邕^此pn結(jié)，電子從n型材料擴散到p區(qū)，而空穴則從p 型材料擴散到 n 區(qū)，如右面的圖3（a）所示。作為這一相互擴散的結(jié)果，在pn結(jié)處形成了一個高度的ev的勢壘，阻止電子和空穴的進一步擴散，達到平衡狀態(tài)（見圖3（b）。當外加一足夠高的直流電壓v，且 p 型材料接正極， n型材料接負極時，電子和空穴將克服在pn結(jié)處的勢壘，分別流向 p 區(qū)和 n 區(qū)。在pn結(jié)處，電子與空穴相遇，復合，電子由高能級躍

5、遷到低能級，電子將多余的能量將以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。這就是發(fā)光二極管的發(fā)光原理。選擇可以改變半導體的能帶 隙，從而就可以發(fā)出從紫外到紅外不同波長的光線， 且發(fā)光的強弱與注入電流有關(guān)， 圖3、發(fā)光二極管的工作原理 2、發(fā)光二極管的特點和優(yōu)點led的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。主要包括（1）體積小（2）耗電量低（3）使用壽命長（4）高亮度、低熱量。（5）環(huán)保（6）堅固耐用。3、發(fā)光二極管的主要特性（1） 光譜分布、峰值波長和光譜輻射帶寬：發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長具有正態(tài)分布的特點，在最大光譜能量(功率)處的波長成為峰值波長。

6、即使有兩個led的峰值波長是一樣的，但它們在人眼中引起的色感覺也是可能不同的。光譜輻射帶寬是指光譜輻射功率大于等于最大值一半的波長間隔，它表示發(fā)光管的光譜純度。（2） 光通量：led光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼視覺的那部分，稱為光通量v（單位是流明（lm），是指led向整個空間在單位時間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量。但要考慮人眼對不同波長的可見光的光靈敏度是不同的，國際照明委員會(cie)為人眼對不同波長單色光的靈敏度作了總結(jié)，在明視覺條件(亮度為3cd/m2以上)下，歸結(jié)出人眼標準光度觀測者光譜光效率函數(shù)v ()，它在555nm上有最大值，此時1w輻射通量等于683lm，如圖4示，其中

7、v()為暗視覺條件(亮度為0.001cd/m2以下)下的光譜光視效率。圖4 明視覺和暗視覺條件下的光譜光效率函數(shù)探測器被測led檔屏圖5 積分球結(jié)構(gòu)示意圖通常，光通量的測量以明視覺條件作為測量條件，在測量時為了得到準確的測量結(jié)果，必須把led發(fā)射的光輻射能量收集起來，并用合適的探測器(應(yīng)具有cie標準光度觀測者光譜光效率函數(shù)的光譜響應(yīng))將它線性地轉(zhuǎn)換成光電流，再通過定標確定被測量的大小。這里可以用積分球來收集光能量，如圖5積分球又叫光度球，是一個球形空腔，由內(nèi)壁涂有均勻的白色漫反射層(硫酸鋇或氧化鎂)的球殼組裝而成，被測led置于空腔內(nèi)。led器件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，使整個球壁上

8、的照度均勻分布，可用一置于球壁上的探測器來測量這個與光通量成比例的光的照度?；诜e分球的原理，圖5擋屏的設(shè)計是為了避免led光直射到探測器。球和探測器組成的整體要進行校準，同時還要關(guān)注探測器與光譜光視效率v()的匹配程度，使之比較符合人眼的觀測效果。（3） 發(fā)光強度：發(fā)光二極管的發(fā)光強度取決于pn結(jié)中輻射型復合機率與非輻射型復合機率之比，通常是指法線方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)w/sr（即一單位立體角度內(nèi)光通量為1 lm）時，則稱其發(fā)光強度為1坎德拉(candela)，符號為cd。發(fā)光強度的概念要求光源是一個點光源，或者要求光源的尺寸和探測器的面積與離光探測器的距離相

9、比足夠小(這種要求被稱為遠場條件)。但在實際中往往沒有達到這樣的要求，不能嚴格測出led的發(fā)光強度。（4） 色溫：不同的光源，由于發(fā)光物質(zhì)成份不同，其光譜功率分布有很大差異，一種確定的光譜功率分布顯示為一種相應(yīng)的光色。人們用黑體加熱到不同溫度所發(fā)出的不同光色來表達一個光源的顏色，稱作光源的顏色溫度，簡稱色溫。用光源最接近黑體軌跡的顏色來確定該光源的色溫，這樣確定的色溫叫做相關(guān)色溫。（5） 發(fā)光效率：光源發(fā)出的光通量除以所消耗的功率（單位是lm/w）。它是衡量光源節(jié)能的重要指標。發(fā)光效率：其中，分別是發(fā)光二極管的正向電流和正向電壓，v為光通量。（6） 顯色性：光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色

10、性。也就是顏色的逼真程度。國際照明委員會cie把太陽的顯色指數(shù)（ra）定為100。mav可調(diào)穩(wěn)流電壓源圖6 led vi特性測試電路圖（7） 正向工作電壓vf：正向工作電壓是在給定的正向電流if下得到的。一般是在if =20ma 時測得的.（8） vi 特性：在正向電壓小于閾值時，正向電流極小，不發(fā)光。當電壓超過閾值后，正向電流隨電壓迅速增加。由vi 曲線可以得出led的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正常情況下常見的gan led反向漏電流在vr = -5v 時，反向漏電流 ir 10a。av可調(diào)穩(wěn)流電流源圖7 led pi特性測試電路圖 圖8 led pi特性測試裝置圖恒流源ledad

11、光闌（9） pi 特性：即led軸向光強與正向注入電流關(guān)系特性。由于一個產(chǎn)品中往往要使用許多個led，各led的發(fā)光亮度必須相同或成一定比例后才能呈現(xiàn)均一的外觀，因此我們必須使用恒流源控制好各led的工作電流，從而使各led的亮度達到的一致性。要研究led工作電流與亮度的關(guān)系，我們就必須測量它的pi特性。 led光強的測量是按照光度學上的距離平方反比定律來實現(xiàn)的。我們的測量電路及裝置如圖8和9所示。根據(jù)cie127-1997標準，取led到探測器端面距離d100mm，探測器接收面直徑a11.3mm。【實驗用具】實驗用具：led（若干種類）、精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（30cm）、多功能光

12、度計、通用標準光源、光功率計、直尺、萬用表、導線等【實驗注意事項】（1）標準光的供電電流不能超過其標定電壓，以免燒壞。為防止標準光源的供電電源開路電壓過大，在裝燈、卸燈時須將電源的輸出調(diào)至最小，或關(guān)閉。（2）標準光源發(fā)光時，燈絲脆弱，受到震動容易斷裂。因此，要求標準光源工作時不能受到震動，且熄滅后需要等5分鐘，待標準光源冷卻后再行拆卸。(3)標準光源一般采用恒流式點燃，參數(shù)以電流為準。（4）led安裝時切記清正、負極，嚴禁反裝，以免燒壞。（5）在進行l(wèi)edv-i特性和ledp-i特性測量時，工作電壓嚴禁超過4v，避免燒壞。【實驗內(nèi)容及操作步驟】1搭建發(fā)光二極管的光通量測量系統(tǒng)，并使用遠方d03

13、1標準光源對多功能光度計進行定標。 校零：a.將精密穩(wěn)流穩(wěn)壓電源與光度計連接起來，并把photo2000j光度探頭及標準光源正確裝入積分球內(nèi)；b.關(guān)閉積分球，并確保精密穩(wěn)流穩(wěn)壓電源無電流電壓輸出；c.將photo2000j光度計后面板上的鑰匙撥至“cal”，即垂直方向；d.按下photo2000j光度計前面板上的校零鍵“校零/zero”，數(shù)碼管顯示“zero”，再按“校零/zero”，“采樣/sample”指示燈與“校零/zero”指示燈同時亮起，此時儀器處于校零狀態(tài)，約需12分鐘，直到“校零/zero”指示燈滅，校零完畢。定標：e.打開精密穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，慢慢調(diào)大電流至標準光源的標定電流（如果

14、標準光源產(chǎn)品檢定報告上所寫的是標定電壓，則請調(diào)至標定電壓），約穩(wěn)定5分鐘；f.按一次photo2000j光度計前面板上的定標鍵“定標/cal”，數(shù)碼管顯示“cal”，“定標/cal”指示燈亮起，再按一次“定標/cal”鍵，此時數(shù)碼管閃爍，此時輸入標準光源產(chǎn)品 檢定報告上的標定光通量。（可用“”鍵選擇輸入的位置，“”鍵改變閃爍位置的取值），第三次按下“定標/cal”鍵，此時數(shù)碼管顯示定標系數(shù)，第四次按“定標/cal”鍵，此時“定標/cal”指示燈滅，“采樣/example”指示燈閃爍，此時數(shù)碼管顯示光通量的標定值，完成定標。2替換標準光源為待測的led，測量其光通量，計算發(fā)光效率。g.慢慢將電壓

15、調(diào)至零，標準光源逐漸熄滅，待標準光源冷卻后再將其取出，替換為待測led（切記：led長引腳為正極，短引腳為負極，不可插錯?。?，并將photo2000j光度計后面 板上的鑰匙撥至“test”，即水平方向；h.慢慢增大穩(wěn)流穩(wěn)壓電源的輸出電壓至3.5v，記錄此時的輸出電壓，電流值以及光度計上顯示的光通量，計算led此時的發(fā)光效率；i.更換其余的led樣品，重復步驟。3測量led vi特性曲線以及pi特性曲線。a連接測量電路和架設(shè)光路（測量v-i特性按照圖6，測量p-i特性按照圖8和圖9），注意led正負不能接反，并把可調(diào)穩(wěn)流電流源的電流檔和電壓壓檔調(diào)到最??；b檢查電路，確認無誤后打開可調(diào)穩(wěn)流電流源的

16、開關(guān)。適當調(diào)大電流源的輸出電流和電壓，讓led發(fā)光以便調(diào)準光路，保證led在探測器接收圓面的軸線上，與探測器端面距離d100mm；c把電流檔和電壓檔調(diào)回零，再緩慢增大輸出電流和輸出電壓，記錄下每一組電流、電壓值及其對應(yīng)的光強，注意電壓值不宜超過3.8v。作出led vi特性曲線以及pi特d更換其余的led樣品，重復以上步驟步驟?！緦嶒灁?shù)據(jù)處理及結(jié)果分析】1、 vi曲線和pi曲線的測量led光強的測量是按照光度學上的距離平方反比定律來實現(xiàn)的。根據(jù)cie127-1997標準，在實驗中取led到探測器端面距離d10cm。同時進行的還有l(wèi)ed的vi曲線的測量，測量電路圖如圖4。實驗中，我們分別測量了綠

17、光和紅光兩種led的vi、pi特性，測得的數(shù)據(jù)如表1所示：表1 綠光和紅光led v-i、p-i特性數(shù)據(jù)綠光led電流i/ma0.00.00.00.00.01.02.03.04.05.0電壓v/v0.001.491.671.852.032.882.963.053.113.15功率p/mw0.0000.0000.0000.0000.0000.0390.0530.0760.0970.110電流i/ma6.07.08.09.010.011.012.013.014.015.0電壓v/v3.183.203.243.283.313.333.373.393.403.43功率p/mw0.1220.1320.1

18、490.1660.1810.1930.2080.2200.2270.243紅光led電流i/ma0.00.00.00.00.01.02.03.04.05.0電壓v/v0.000.921.091.191.261.751.781.811.821.83功率p/mw0.0000.0000.0000.0000.0000.0260.0310.0420.0470.050電流i/ma6.07.08.09.011.012.015.016.017.020.0電壓v/v1.841.851.861.871.881.911.921.941.951.96功率p/mw0.0600.0710.0740.0880.0950.1

19、080.1270.1370.1460.164由表1可發(fā)現(xiàn)，當電壓大于某一值時，led才有明顯的電流反映，原因是led的pn結(jié)有內(nèi)建電場，在led工作時有一定的開啟電壓，而當正向電壓小于開啟電壓時，就不會測量到正向電流；還有一個原因與測量電流的儀器靈敏度有關(guān)，當led有微弱的正向電流時，雖然有實際的輸入功率，但電流不足以激勵電流計，電流計也就沒有讀數(shù)。由表1數(shù)據(jù)可看到，電壓愈大，發(fā)光愈強。這特性在iv曲線和pi曲線有更直觀的體現(xiàn)。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可作得綠光和紅光led的iv曲線和pi曲線如下：圖9 綠光led的iv特性曲線對綠光led的iv特性曲線作指數(shù)擬合，得到的關(guān)系式是：，相關(guān)系數(shù)r2=0.9

20、9388，比較接近于1，說明iv關(guān)系非常接近指數(shù)增長關(guān)系。由圖9知，綠光led的閾值電壓大概為2.88v左右。當輸入的正向電壓低于閾值電壓時，電路電流幾乎為零，同時led不發(fā)光。當輸入電壓超過閾值電壓時，電路的正向電流是劇烈增加的，增長幾乎是按指數(shù)規(guī)律的。根據(jù)shockley理論,對于一個散射面積為a的二極管,其電流電壓關(guān)系為: ，其中，dp,n，p,n分別為空穴和電子的擴散系數(shù)和壽命，與圖 9特性一致。圖10 綠光led的pi特性曲線對綠光led的pi特性曲線作指數(shù)擬合，得p=0.01308+0.01629i(mw)。相關(guān)系數(shù)r=0.99117，非常接近1，說明pi呈良好的線性關(guān)系。圖11

21、紅光led的iv特性曲線對紅光led的iv特性曲線作指數(shù)擬合，得到的關(guān)系式是：，相關(guān)系數(shù)r2=0.97855，比較接近于1，說明iv關(guān)系比較接近指數(shù)增長關(guān)系。由圖1知，紅光led的閾值電壓大概為1.75v左右，比綠光led的小。由圖11及數(shù)據(jù)分析知，紅光led與綠光led一樣，當輸入的正向電壓低于閾值電壓時，電路電流幾乎為零，同時led不發(fā)光。當輸入電壓超過閾值電壓時，電路的正向電流是劇烈增加的，增長幾乎是按指數(shù)規(guī)律的，iv特性仍然滿足shockley理論關(guān)系式。圖12 紅光led的pi特性曲線對紅光led的pi特性曲線作指數(shù)擬合，得p=0.00785+0.00815i(mw)。相關(guān)系數(shù)r=0

22、.9929，非常接近1，說明pi呈良好的線性關(guān)系。與綠光led的pi數(shù)據(jù)對比可知，在通入相同電流的條件下，紅光led的功率比綠光led的功率小。2、 紅綠光led光通量與功率關(guān)系的測量前文提到過，實驗中，輸入正向電壓比較小的時候，測量得到的電流為零。為方便分析不同輸入功率下的光通量情況，避免輸入功率為零（此時發(fā)光效率為無窮大，沒有意義），以下所取數(shù)值正向電流不為零（紅光led的測量數(shù)據(jù)中有一個正向電流為0，實際作圖分析時舍去此數(shù)據(jù)）。表2 綠光led光通量與正向電流、正向電壓關(guān)系正向電流i/ma1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0正向電壓u/v2.86322.9726

23、3.04233.09373.13873.17963.21163.24133.26783.2936功率p/mw2.86325.94529.126912.374815.693519.077622.481225.930429.410232.9360光通量/lm10.0219.3928.9237.9247.2356.6564.7572.7480.2787.77發(fā)光效率/(lmw-1)3.503.263.173.063.012.972.882.812.732.66正向電流i/ma11.012.013.014.015.016.017.018.019.020.0正向電壓u/v3.31613.33613.35

24、703.37473.39313.40763.42363.43813.45253.4669功率p/mw36.477140.033243.641047.245850.896554.521658.201261.885865.597569.3380光通量/lm94.57101.41107.89113.90119.99125.48131.14136.26141.44146.69發(fā)光效率/(lmw-1)2.592.532.472.412.362.302.252.202.162.12注：發(fā)光效率由表2可知，在不同的輸入功率下，led 發(fā)光效率隨著輸入功率的增加逐漸減小。以下作出p曲線并分析。圖13 綠光le

25、d的p特性曲線利用origin的指數(shù)衰減功能擬合綠光led的p數(shù)據(jù)得到： 相關(guān)系數(shù)r2=0.99359，較接近于1，說明實驗所得的p數(shù)據(jù)較接近于指數(shù)衰減關(guān)系。所以可以得出結(jié)論，綠光led 發(fā)光效率隨著輸入功率的增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減。而引起指數(shù)衰減的原因主要就是 led 的熱效應(yīng)，輸入的電功率轉(zhuǎn)化為熱。表3紅光led光通量與正向電流、正向電壓關(guān)系正向電流i/ma0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0正向電壓u/v1.63501.66191.68451.69981.71301.72251.73161.74101.74821.7517功率p/mw0.00001.66193.3690

26、5.09946.85208.612510.389612.187013.985615.7653光通量/lm0.140.360.751.131.501.882.192.552.903.28發(fā)光效率/(lmw-1)/0.21660.22260.22160.21890.21830.21080.20920.20740.2081正向電流i/ma10.011.012.013.014.015.016.017.018.019.0正向電壓u/v1.76391.77101.77751.78391.79031.79161.80231.80791.81431.8198功率p/mw17.639019.481021.330

27、023.190725.064226.874028.836830.734332.657434.5762光通量/lm3.593.944.234.554.935.105.365.605.906.13發(fā)光效率/(lmw-1)0.20350.20220.19830.19620.19670.18980.18590.18220.18070.1773注：發(fā)光效率由表3數(shù)據(jù)可知，紅光led和綠光led一樣，在不同的輸入功率下，led 發(fā)光效率隨著輸入功率的增加逐漸減小。對比表2和表3的數(shù)據(jù)可知，紅光led與綠光led在通入同樣大的正向電流的條件下，紅光led的功率比綠光led的小，光通量也比綠光的小。在實驗中我們可以直觀地觀察到在相同正向電流