半導(dǎo)體光源特性測試

1、第一部分光源的研究與實驗實驗一、LED光譜測量實驗?zāi)康腖ED燈的特性直接關(guān)系到它的應(yīng)用，尤其是它的發(fā)光強度分布特性與光譜特性是人們普遍關(guān)心的重要特性，也是難于測量的特性。光源的光譜內(nèi)含有豐富的信息，為此人們研制出各種光譜探測器進(jìn)行物質(zhì)化學(xué)成分的分析。安排這個實驗有助于學(xué)生了解LED發(fā)出的光譜成分，并深入掌握光譜探測器的特性，更合理地運用它分析不同光源的光譜。不同顏色與種類的LED發(fā)出的光譜輻射帶寬與功率分布差異很大。在用LED構(gòu)成大屏幕顯示器應(yīng)用領(lǐng)域為獲得不同顏色的顯示效果，必須對所用的LED器件進(jìn)行光譜特性的測量，以便正確地配制出各種顏色的圖案。實驗原理LED發(fā)光光譜特性既有別于LD（半導(dǎo)體

2、激光器）又有別于鎢絲燈等熱輻射體的發(fā)光，它的單色性遠(yuǎn)不如LD,但光譜范圍是有限寬度的，具有較好的單色性，當(dāng)然通過二次光致發(fā)光獲得“白光”的LED光譜較為豐富，但是仍然無法與鎢絲燈等熱輻射體的發(fā)光光譜相比。描述LED發(fā)光光譜特性的方法是測量它的光譜輻射帶寬與功率分布。光譜儀涉及到光源的概念包括緩存參考光（將當(dāng)前采集的光譜緩存為參考光），減去背景光（減去已經(jīng)緩存的背景光），緩存背景光（將當(dāng)前采集的光譜緩存為背景光）等。光譜探測器進(jìn)行物質(zhì)化學(xué)成分分析中對物質(zhì)測量模式有普通模式、吸收率模式、透射率模式、反射率模式，其測量公式如下：吸收率模式：測量物品對特定波長的吸收率A=1.0-（測量光-背景光）/（

3、參考光-背景光）*100%透射率模：參考光源對特定波長對待測量物品的透射率T=（測量光-背景光）/（參考光-背景光）*100%反射率模式：參考光源照射到待測量物品后反射光強的透射率R=（測量光-背景光）/（參考光-背景光）*100%注:A+T=1;A+R=1比陽H打i瞪入肘按縫光纖束比說儀內(nèi)部.SMA905CCDW列怡測賠圖1光纖光譜儀工作原理圖3.實驗儀器光纖光譜測試儀1臺；白、紅、藍(lán)、綠LED燈各一只LED燈座1只4實驗步驟1，搭建實驗平臺給發(fā)光二極供電，數(shù)字光譜儀與電腦連接，將光譜儀的探頭安放在固定架上擰開蓋帽。將二極管正對著光纖端口，打開電源開關(guān)，注意驅(qū)動電壓小于額定電壓（推薦2v），

4、如圖1。圖1搭建實驗平臺啟動軟件工作模塊，圖中顯示了光譜測量和顏色測量這兩個子功能模塊。點擊相應(yīng)的按鈕或在菜單-窗口中點擊相應(yīng)選項即可以進(jìn)入功能模塊。在下一次啟動前，程序會自動進(jìn)入最后一次打開的功能模塊。光譜儀連接如圖2。E師連按伏志QSticuUiPto應(yīng)用:極宇甘僑宜用:光潸井祈月制量-1圜圖2光纖光譜儀軟件界面選擇光譜儀后面的綠色按鈕表示已經(jīng)和光譜儀相連接；紅色表示已經(jīng)和光譜儀斷開連接。在操作上，程序打開和插入光纖光譜USB接口并沒有順序上的限制，先打開程序或先連接光纖光譜儀都能使系統(tǒng)正常運作。在程序運行過程中因為某些需要移除光纖光譜儀后，系統(tǒng)會出現(xiàn)提示。當(dāng)光譜儀再次插入電腦時，程序會自

5、動連接光譜儀，不需額外操作。點擊選擇光譜儀跳出如下所示對話框。可以在對話框中組合框選擇已連接的光譜儀，如果組合框空白，表示沒有光譜儀跟電腦相連接，這時需要插入光譜儀USB接口。當(dāng)選擇需要的光譜儀后點擊確定按鈕，立刻連接光纖光譜儀，并開始正常工作。如圖3.圖3選擇光譜儀查看已連接的光譜儀的信息，可以參看光譜儀的技術(shù)參數(shù)設(shè)置。如圖4。F-S30DD電洱三適訐僚口：5fttiiJ3t=A/D輕換：S2000-120013A計3EMUSB口供電USB10戎USB20細(xì)1ESBY砂L日位AD特燥芯片煤阿輔;瞑卅P寸聞:-F1-1=11：匸泊:3:代卍L-TElh:矽R-辨卒：ToshibaTCDL305

6、JffiCCD3648元(50RS2gasSflASDSGOujti0.Oran:屮-r:-.-H圖4光譜儀信息測量至少三種LED發(fā)光二極管的光譜記錄數(shù)據(jù)和圖形，如圖5。圖5光譜儀測光源光譜界面1、習(xí)題和思考寫出實驗報告思考光譜分析的實驗誤差主要來自哪里？還有什么可以改進(jìn)的地方?實驗二、光源與光度輻射度參數(shù)的測量實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)光本性的基本常識，鞏固光電技術(shù)中關(guān)于光的度量內(nèi)容，并掌握光電綜合實驗平臺所用光源的發(fā)光特性；通過對光源照度的調(diào)節(jié)與測量，熟練進(jìn)行光電實驗過程中所用數(shù)字儀表使用方法為后面實驗做技術(shù)準(zhǔn)備。實驗儀器光電綜合實驗平臺主機系統(tǒng)1臺；發(fā)白光的LED平行光源（遠(yuǎn)心照明光源）及其夾持裝置各

7、1個；實驗原理LED的發(fā)光原理光電技術(shù)中的光源已經(jīng)逐漸被LED發(fā)光二極管光源所替代。LED發(fā)光二極管為PN結(jié)在正向偏置下發(fā)光的特性。有些材料構(gòu)成的PN結(jié)在正向電場的作用下，電子與空穴在擴(kuò)散過程中要產(chǎn)生復(fù)合。復(fù)合過程中電子從高能級的“導(dǎo)帶”跌落至低能級的“價帶”，電子在跌落過程中若以輻射的形式釋放出多余的能量，則將產(chǎn)生發(fā)光或發(fā)輻射的現(xiàn)象。如圖1為注入式LED能帶結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散運動中的電子從導(dǎo)帶跌入到價帶時以輻射的方式釋放出多余的能量。它將發(fā)出峰值波長久m的輻射，式中，Eg為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。he(1)電子注入2TH圖1注入式LED能代結(jié)構(gòu)除了具有發(fā)各種單色光譜的發(fā)光二極管（LED）外，還可以在發(fā)

8、藍(lán)光的發(fā)光二極管上涂熒光物質(zhì)，由于藍(lán)光LED的光譜能量很強，熒光物質(zhì)將其轉(zhuǎn)換成含有各種光譜成分的光譜集合，表現(xiàn)為發(fā)出復(fù)合波長的“白光”，常稱其為白光發(fā)光二極管。如圖2所示，LED發(fā)光二極管發(fā)出的光亮度L與流過LED的電流強度I成正比。因此，可以通過控制電流來控制（或調(diào)整）發(fā)光二極管的亮度，即可以通過改變發(fā)光管的電流改變投射到探測器表面上的照度,這就是LED光源具有的易調(diào)整性。利用它的易調(diào)特性很容易設(shè)計出電光調(diào)制器,光纖通訊技術(shù)中常用LED的這個特性實現(xiàn)長距離的通訊。10_|I10100J000圖2疔亮度與電流密度的關(guān)系另外，發(fā)光二極管屬于半導(dǎo)體發(fā)光光源，它具有體積小、發(fā)光效率高、壽命長、發(fā)光強

9、度易于調(diào)節(jié)等特點，被廣泛應(yīng)用于測量儀器與照明燈的光源，鑒于LED的諸多優(yōu)點，所以被我們選為光電實驗平臺的光源。光度參數(shù)與輻射度參數(shù)光源發(fā)出的光或物體反射光的能量計算通常是用“通量”、“強度”、“出射度”和“亮度”等參數(shù)進(jìn)行度量，對于探測器而言，常用“照度”參數(shù)。測量探測器表面的照度是十分重要的問題，許多實際問題常需要通過對照度的測量來分析或計算其他參數(shù)。為此這里我們主要討論照度參數(shù)輻照度或光照度均為單位探測器表面所接收的輻射通量或光通量。即Er=或E.二罕：1丈；丫（2）式中S為探測器的面積。上式也是通過測量照度來測量光源功率的公式。點光源照度與發(fā)光強度的關(guān)系實驗從所周知，各向同性的點光源發(fā)出

10、的光所產(chǎn)生的照度與發(fā)光強度Iv成正比，與方向角的余弦（C0S）成正比，與距離光源的距離平方（12）成反比。既可由下式表示(3)4.實驗步驟從實驗元件盒中取出各種單色的LED發(fā)光管，把LED發(fā)光二極管插入通用實驗裝置，光源和照度計探測頭與LED光源相對安裝在一起，在光學(xué)平臺上構(gòu)成實驗測量裝置，可以用照度對LED的發(fā)光特性進(jìn)行實驗。但是必須注意，照度的概念是探測表面光照特性的描述，它與距離LED光源的距離有關(guān)，因此，必須注意這一特性。將LED的引線和電流表按著如圖4所示的發(fā)光管發(fā)光特性實驗電路。在測量電路中用50Q固定阻值電阻與lkQ電位器相連接，便于調(diào)整流過LED發(fā)光管的電流ILED在發(fā)光二極管

11、的供電電路中串入數(shù)字，電流表測量流過LED的電流ILed。平臺上提供了自動切換量程的數(shù)字照度計，可以直讀出不同工作電流下LED發(fā)出的光照度。圖3LED光源和照度計探頭打開實驗平臺的電源開關(guān)，在發(fā)光管未點亮?xí)r測出暗背景照度Eb；然后，通過串入發(fā)光二極vb管的lkQ電位器調(diào)節(jié)發(fā)光電流ILED，記錄不同發(fā)光電流ITED下的光照度E，將其填入表1；LEDLEDv改變LED與光電探測頭間的距離，再重復(fù)進(jìn)行上述實驗，分析數(shù)據(jù)變化的原因。將LED與光電探測頭間的距離L鎖定，找出電流ILED與照度間E的關(guān)系。LED圖4LED實驗電路參數(shù)123ILEI(mA)Ev(lx)表1照度測量數(shù)據(jù)表45676）光照特性（

12、發(fā)光強度測量）實驗步驟將如圖3所示的LED實驗裝置安裝在GDS-W型光電綜合實驗平臺的導(dǎo)軌的一端左端，）并將其連線插入到左側(cè)電源插孔中，使其發(fā)出穩(wěn)定的光強；將平臺提供的照度計探頭安裝在右側(cè)導(dǎo)軌上，將其連線插頭插入中部插座內(nèi)，與照度計連接，測量LED發(fā)出的照度；測量出照度計探頭與LED光源之間的距離l,然后將遮光罩扣在平臺導(dǎo)軌上方，使外接環(huán)境光不能影響測量結(jié)果，測出此時的照度；重復(fù)實驗步驟測量3個位置（I.l2、13）所對應(yīng)的照度（E、E2、E3）值，由于照度計探頭垂直于LED的主光線，既COS=1，測量出3個已知距離下的照度值不難依據(jù)式（2.1-7）計算出光源的發(fā)光強度IV值。6.關(guān)機與結(jié)束所

13、測的數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果（包括實驗曲線）保存好，分析實驗結(jié)果的合理性，如不合理則應(yīng)重新補作上述實驗；若合理，可以進(jìn)行關(guān)機；將實驗平臺的電源關(guān)掉，再將所用的配件放回配件箱；將實驗所用儀器收拾好，再請指導(dǎo)教師檢查，批準(zhǔn)后離開實驗室。實驗三LED角度特性參數(shù)測量實驗（選做）實驗?zāi)康腖ED（發(fā)光二極管）是非常有發(fā)展前景的半導(dǎo)體發(fā)光器件，是將來取代鎢絲燈、日光燈、照明燈、高壓汞燈與其他系列燈具的節(jié)能替代產(chǎn)品丄ED燈的特性直接關(guān)系到它的應(yīng)用，尤其是它的發(fā)光強度的空間分布特性是人們普遍關(guān)心的重要特性，安排這個實驗有助于我們深入掌握它的特性，更合理地應(yīng)用它為人類照明與視覺效應(yīng)服務(wù)。實驗儀器GDS-III型光電綜合實

14、驗平臺1臺；LED發(fā)光特性測試儀1臺；實驗內(nèi)容發(fā)光強度空間分布特性與偏差角0根據(jù)中國光學(xué)光電子行業(yè)學(xué)會2002年制定的“發(fā)光二極管測試方法,LED發(fā)光強度的空間分布特性是指器件發(fā)射出的光強IV或Ie參數(shù)與空間方向角6的函數(shù)關(guān)系Iv=f（%顯然，6角度一般取為LED器件的“機械角”,機械角的定義為器件幾何尺寸的中心線或法線為其零度角。由于LED封裝工藝問題使LED器件存在發(fā)出光強度最大的方向（稱為主光線）與機械軸并不重合，產(chǎn)生如圖1所示的偏差6，稱其為偏差角或偏向角。測量偏向角對于正確使用LED為光源，尤其是使用LED群構(gòu)成面光源或彩色圖像顯示中具有非常重要意義。DD光軸Hl.fcXZ7機械軸!

15、W7Iriiiix圖1LED發(fā)光的空間分布特性半發(fā)光強度角01/2如圖i所示，led的另一個重要參數(shù)是“半發(fā)光強度角e/2，半發(fā)光強度角e1/2是描述LED發(fā)光范圍的參數(shù)。為獲得更寬，更均勻的面光源，總希望LED半發(fā)光強度角e1/2更大些，而有些應(yīng)用場合希望LED能夠?qū)⒐馔渡涞礁h(yuǎn)的地方，或在更遠(yuǎn)處獲得更強的照度，則又要求LED的半發(fā)光強度角e1/2盡量小，使光能量不至于太分散而損耗過大。為滿足不同應(yīng)用的要求，生產(chǎn)出多種不同封裝形式的LED器件，以便滿足不同應(yīng)用對LED半發(fā)光強度角e1/2的需求，獲得理想的效果。4.實驗步驟熟悉LED發(fā)光角度特性測試儀如圖2所示為YHLA-II型LED發(fā)光角度

16、特性測試儀的外形圖，它由LED安裝夾具（右側(cè)）、標(biāo)準(zhǔn)立體角光電接收裝置（接收筒、）角度讀出度盤、光電探測器輸出數(shù)字電壓表（左面第1塊數(shù)字電壓表、跨接在LED兩端的數(shù)字電壓表、串聯(lián)LED中的數(shù)字電流表、控制LED工作電流大小的調(diào)整旋鈕、控制LED工作電壓的調(diào)整旋鈕、控制LED的工作電壓極性的轉(zhuǎn)換開關(guān)（正、反向切換按鍵）和電源開關(guān)等部件構(gòu)成。LED安裝夾具主要用來安裝被測LED發(fā)光管，使LED管芯發(fā)光部位恰好在讀數(shù)度盤的回轉(zhuǎn)中心上。度盤的刻度位于回轉(zhuǎn)度盤前方窗口的下方（讀數(shù)窗），便于操作者隨時讀取轉(zhuǎn)角的刻度。LED安裝夾具的上方有一個鎖緊頂絲，松開頂絲后LED燈可以前后調(diào)動和轉(zhuǎn)動，使LED燈前端點

17、能夠置于機械回轉(zhuǎn)中心上。光電接收裝置（接收筒）中安放一只直徑17mm的硅光電池它對LED發(fā)光中心所成的立體角為O.OOlsr,符合“中國光學(xué)光電子行業(yè)學(xué)會光電器件專業(yè)分會”對LED發(fā)光角度特性測試方法的基本要求。轉(zhuǎn)動度盤從度盤前端的角度顯示窗口中直接讀出LED的轉(zhuǎn)角，為各種角度測試提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。三塊數(shù)字表的下方分別有三位切|釦仁訓(xùn)寸漁n肛源JTX輸出辿字業(yè)兒&LEDillJfeJc/LEPlfcMa/OJLOl圖2LED發(fā)光角度特性測試儀結(jié)構(gòu)圖換開關(guān)，對數(shù)字電壓表或數(shù)字電流表的量程進(jìn)行切換。其中I檔量程最小，III檔量程最大。由于測量硅光電池輸出的數(shù)字電壓表在實驗過程中很難出現(xiàn)高于200mV

18、的電壓，因此可以只使用I檔量程，其示值（讀數(shù)為mV）LED的安裝與校準(zhǔn)先將LED的兩只管腳插入夾具上的兩個小孔中（注意標(biāo)有黑點的小孔為負(fù)極，應(yīng)插入較短的管腳，插入后便可開機。開機后LED被點亮（如果不亮，請檢查是否插錯了管腳,）讀電流表的示值，注意不要超過管子的最大允許電流（應(yīng)該控制在20mA之內(nèi)。）可以通過電流調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)好后，不再改變。松開頂絲，轉(zhuǎn)動LED及其夾具，使左側(cè)電壓表的讀數(shù)最大，輕輕地擰頂絲，然后將如2所示的定位準(zhǔn)標(biāo)具插入中心孔，再旋松頂絲，使LED輕輕地頂?shù)綐?biāo)準(zhǔn)具的孔，然后旋緊頂絲，撤去標(biāo)準(zhǔn)具。測量LED的發(fā)光強度分布測量機械軸與光軸的偏差角，如圖3所示為測量LED發(fā)光

19、角度特性的實驗原理圖，圖中的三道光欄與硅光電池構(gòu)成一個空間立體角，空間角的軸線是固定的，記為PD軸。LED發(fā)光管的機械軸由其外形尺寸決定，YHLA-II實驗儀的LED夾持器具將其機械軸與PD軸共軸（用LED裝置前的定位銷釘定位）定位后，度盤的刻度值為0。LED發(fā)出的光只有進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)立體角內(nèi)的部分才能被硅光電池PD所接收。當(dāng)安裝在夾具上的LED燈發(fā)出的光沿Z軸最大時表明它的光軸與機械軸重合，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)度盤使度盤刻度為0，觀察并讀出輸出電壓值。然后再轉(zhuǎn)動度盤，邊轉(zhuǎn)動邊讀輸出電壓，當(dāng)數(shù)字輸出電壓的示值達(dá)到極值Um時，停止，記錄此時度盤的角度am，am既為LED的光軸與機械軸的偏差角。光欄圖3LED發(fā)光

20、角度特性測量原理圖測量時要注意LED發(fā)光角的軸線是空間分布的如何找到LED的光軸是很重要的問題，需要旋轉(zhuǎn)LED，使所測量的光軸是真正的光軸。測量LED半發(fā)光強度角3/21/2半發(fā)光強度角e1/2的測量方法與偏差角卜e的測量方法極為相似，找到光軸后，記錄度盤的角度am然后，先順時針轉(zhuǎn)動手輪，使LED繞發(fā)光中心順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)數(shù)字電壓表的示值為極值U的一半時，記錄此時度盤的角度值aR再逆時針mR轉(zhuǎn)動手輪使LED繞發(fā)光中心逆時針轉(zhuǎn)動再使數(shù)字電壓表的示值為極值Um的一半，記錄此時度盤的角度值aL則LED的半發(fā)光強度角e1/2應(yīng)為01J2=I丘測量LED半發(fā)光強度角e1/2時也要注意LED發(fā)光角的軸線是空

21、間分布的找不準(zhǔn)LED的光軸就不能測出真實的發(fā)光半角，實驗過程中應(yīng)該旋轉(zhuǎn)LED,使接收器的輸出為最大值才能找到真正的光軸。思考題分析上述實驗過程中為什么要旋轉(zhuǎn)被測LED?如何能找到LED的真正光軸？如果大屏幕用的LED光源要求具有寬范圍的視角應(yīng)如何選用LED的半發(fā)光強度角e1/2？如果要用LED光源作為尺寸測量系統(tǒng)的遠(yuǎn)心照明光源，應(yīng)如何選用其半發(fā)光角？關(guān)機與結(jié)束將所測的數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果（包括實驗曲線）保存好，分析實驗結(jié)果的合理性，如不合理，則要重新作上述實驗；若合理，可以關(guān)機；先退出計算機軟件，關(guān)掉計算機電源，再將實驗平臺的電源關(guān)掉；將所用的配件放回配件箱；將實驗所用儀器收拾好后，請指導(dǎo)教師檢查，

22、批準(zhǔn)后離開實驗室。實驗四PWM調(diào)光控制實驗（選做）1引言隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)光二極管（LED）得到了廣泛應(yīng)用。LED具有發(fā)光效率高、驅(qū)動電壓低、長壽命、低功耗、高可靠及安全環(huán)保等優(yōu)點，作為繼白熾燈、熒光燈新型照明光源，具有龐大的照明市場和顯著的節(jié)能前景。在LED照明的應(yīng)用過程中，光照的強度及分布情況是照明設(shè)計的首要要求。不同的環(huán)境、環(huán)保、舒適度要求等情況下，均需要對光源進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。實驗?zāi)康牧私釲ED亮度調(diào)節(jié)的原理和方法。實驗原理LED調(diào)光是指通過調(diào)光器調(diào)節(jié)LED的亮度，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、舒適等效果。調(diào)光器的原理有波寬控制調(diào)光（PulseWidthModulation,簡稱PWM），模擬調(diào)光。模擬調(diào)光，指用模擬線性技術(shù)調(diào)整電流的大小，只是簡單的改變LED串的DC電流。模擬調(diào)光盡管實現(xiàn)簡單，不會引入潛在EMC，但是由于LED的發(fā)光特性隨著平均驅(qū)動電流而偏移，對于單色LED來說，