LED特性測量實驗

1、LED特性測量實驗 【實驗?zāi)康摹?、了解LED的發(fā)光機理、光學(xué)特性與電學(xué)特性，并掌握其測試方法。2、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?！緦嶒炑b置】：LED(白光和黃綠光)，精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，積分球（30cm），多功能光度計，光功率計，直尺，萬用表，導(dǎo)線、支架等?！緦嶒炘怼?、 發(fā)光二極管的發(fā)光原理發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的芯片。p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體在相互接觸的時候，由于兩者的功函數(shù)或者說是費米能級的不同，p區(qū)中的空穴就會流向n區(qū)，而n區(qū)中的電子也會擴散到p區(qū)中去，同時產(chǎn)生內(nèi)建電勢差，產(chǎn)生耗盡層，當(dāng)載流子的擴散運動和漂移

2、運動平衡時候pn結(jié)就達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖3所示。pn結(jié)正向偏置的時候，內(nèi)建電勢差變小，勢壘的高度變小，以載流子的擴散運動為主，電子和空穴就會更容易克服勢壘分別流向p區(qū)和n區(qū)。在pn結(jié)耗盡層處，電子和空穴相遇，復(fù)合，電子由高能級躍遷到低能級，電子將多余的能量以發(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)光理論。圖3圖42、 發(fā)光二極管的主要特性（1） 光通量LED光源發(fā)射的輻射波長為的單色光，在人眼觀察方向上的輻射強度和人眼瞳孔對它所張的立體角的乘積，稱為光通量V（單位是流明lm），具體是指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。光通量的測量以明視覺條件作為測

3、量條件，測量光通量必須要把LED發(fā)射的光輻射能量收集起來，可以用積分球來收集光能。測量的探測器應(yīng)具有CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀測者光譜效率函數(shù)的光譜響應(yīng)。LED器件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，使整個球壁上的照度均勻分布，可用一置于球壁上的探測器來測量這個光通量成比例的光的照度。基于實驗室提供的資料，由積分原理，積分球內(nèi)任一沒有光直接照明的點的光照度為：。其中為光源的光照度，為積分球的半徑，為積分球內(nèi)壁的反射率。所以測量得到球壁上任一點的光照度就可以求得光源的光通量了。（2） 發(fā)光強度發(fā)光強度表示在指定方向上光源發(fā)光的強弱。若某個光源在法線方向上，輻射強度為(1/683)W/sr（即一單位立體角度內(nèi)

4、光通量為1流明時），則稱其發(fā)光強度為1坎德拉(candela)，符號為cd。 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比足夠小(這種要求被稱為遠(yuǎn)場條件)。一般使用CIE推薦的“平均發(fā)光強度”的概念：照射在離LED一定距離處的光探測器上的通量，與探測器構(gòu)成的立體角的比值。CIE對近場條件下的LED測量，有兩個推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件：CIE標(biāo)準(zhǔn)條件A和B。兩個條件都要求所用的探測器有一個面積為1cm2的圓入射孔徑，LED面向探測器放置，并且保證LED的機械軸通過探測器的孔徑中心。本實驗中使用的是亮度比較低的LED，所以使用條件B，使LED頂端到探測器的距離為100mm。（

5、3） 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(biāo)。其計算關(guān)系式定義為: 其中，分別是發(fā)光二極管的正向電流和正向電壓。（4） VI特性由于在耗盡層中的載流子復(fù)合有一定的幾率，在正向電壓小于閾值電壓時，耗盡層中的載流子很少，復(fù)合幾率也比較低，正向電流極小，不發(fā)光。當(dāng)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，反向電流以及反向電壓等參數(shù)。（5） PI特性PI特性就是LED的軸向光強與正向注入電流關(guān)系特征。我們用光功率計來測量它的PI特性測試圖如圖2所示。五、實驗步驟1、開始實驗前先認(rèn)真閱讀精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（3

6、0cm）、多功能光度計等的使用說明和注意事項，熟悉儀器。2、設(shè)置精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源的電壓輸出為0V，連接好積分球和穩(wěn)壓源的導(dǎo)線，將待測的LED放入積分球內(nèi)，關(guān)好積分球。3、設(shè)置電壓不斷改變電壓的數(shù)值，對于黃綠光LED直到2.4V為止，對于白光LED到3.5V為止，記錄每個電壓值對應(yīng)的電流值以及光通量值。得到VI特性曲線和光通量的變化曲線，計算得到各個LED的發(fā)光效率。4、如圖2所示將LED從積分球中取出，安裝在支架上，使LED頂端到光功率計的距離為100mm。在黑暗條件下，在給LED偏置電壓之前，調(diào)節(jié)光功率計的零點。然后逐漸增加電壓，觀察并記錄電流和光功率的關(guān)系。得到LED的PI特性曲線

7、?！緦嶒炿娐穲D】圖1LED VI特性測試電路圖圖2LED PI特性測試裝置圖【實驗步驟】1、開始實驗前先認(rèn)真閱讀精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（30cm）、多功能光度計等的使用說明和注意事項，熟悉儀器。2、設(shè)置精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源的電壓輸出為0V，連接好積分球和穩(wěn)壓源的導(dǎo)線，將待測的LED放入積分球內(nèi)，關(guān)好積分球。3、設(shè)置電壓不斷改變電壓的數(shù)值，記錄每個電壓值對應(yīng)的電流值以及光通量值。得到VI特性曲線和光通量的變化曲線，計算得到各個LED的發(fā)光效率。4、將LED從積分球中取出，安裝在支架上，使LED頂端到光功率計的距離為100mm。在黑暗條件下，在給LED偏置電壓之前，調(diào)節(jié)光功率計的零點

8、。然后逐漸增加電壓，觀察并記錄電流和光功率的關(guān)系。得到LED的PI特性曲線?！緦嶒灁?shù)據(jù)處理】1. 測量LED燈光通量，計算發(fā)光效率 藍(lán)色LED：測得的電壓、電流、光通量及計算得的發(fā)光效率如下表所示：電壓/V電流/mA光通量/lm發(fā)光效率2.50111.3002.56221.3002.6241.40.038.1663762.68581.60.0818.616432.809520.5292.543162.891532.09240.93613.01514.13.82309.01373.076155.44353.69463.13796.37.33370.78693.19967.89.45378.653

9、13.2406910.98376.47353.281510.312.69375.44993.302511.113.67372.90893.343412.715.65368.5723.364313.616.81367.39573.384414.617.93362.86563.405215.619.08359.17923.42616.620.29356.76863.446217.821.53350.9813.466919.122.85345.07343.48720.424.3341.6053.507921.825.76336.85443.528723.227.19332.12883.548924.

10、828.78326.99823.569726.530.48322.20883.589828.232.32319.26553.589828.832.73316.5798由上表可作得電壓與發(fā)光效率的關(guān)系曲線：可見，在一定范圍內(nèi)，發(fā)光效率大致隨電壓的增大而增大。 綠色LED：測得的電壓、電流、光通量及計算得的發(fā)光效率如下表所示：電壓/V電流/mA光通量/lm發(fā)光效率2.2827002.385500.112.550201.842.714703.762.77560.55.664078.3972.85831.110.083205.9742.96122.220.433136.0143.0233.229.93

11、3093.9883.0844.441.713073.7833.14585.955.833008.0463.18677.366.762869.8043.22858.778.12780.5523.24859.583.982721.2563.269410.390.12675.593.289311.296.172610.4663.310412.2102.642541.4193.331313.4110.132467.1023.351314.4116.532414.6933.372215.6123.482347.2463.392216.8130.152283.7763.413118.1137.162220

12、.243.43419.5144.372155.9673.45420.9151.442097.8383.47522.4158.732039.1833.49523.9166.181989.4533.515925.9173.671907.1663.536927.7181.321850.733.556829.6188.621791.5823.517731.9197.151756.9013.597734.4205.041656.743由上表可作得電壓與發(fā)光效率的關(guān)系曲線：可見，在一定范圍內(nèi)，發(fā)光效率大致隨電壓的增大而減少。2. 測量LED V-I特性曲線以及P-I特性曲線 綠色LED：測得電壓、電流和功

13、率如下表所示：電壓U/V電流I/A功率/mW2.80.00402.90.005030.0070.0013.050.0070.0013.10.0080.0023.150.0090.0033.20.010.0033.250.0120.0043.30.0130.0053.350.0140.0063.40.0160.0073.450.0180.0093.50.0210.013.550.0230.0113.60.0270.0133.650.0310.015由上表可作得LED V-I特性曲線以及P-I特性曲線，如下圖所示：可見，當(dāng)電壓大于2.9v時，電流與功率大致隨電壓的增大而增大?？梢酝浦?，該LED的導(dǎo)通電壓約為2.9v。 紅色LED：測得電壓、電流和功率如下表所示：電壓U/V電流I/A功率/mW1.5001.6001.6500.0011.70.0020.0061.750.0070.0131.780.0090.0131.80.0120.0211.820.0150.0241.850.020.0321.870.0230.0321.90.0260.0391.950.0340.04620.0410.052由上表可作得LED V-I特性曲線以及P-I特性曲線，如下圖所示：可見，當(dāng)電壓大于1.6v時，電流與功率大致隨電壓的增大