發(fā)光二極管物理實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)項目說明書張益鑫 趙正 王冬第一部分：發(fā)光二極管特性的研究摘要摘要部分要寫出實驗做了什么以及得出什么結(jié)論，背景介紹可以放在后面實驗原理中寫：在我們的生活中，隨處可見到各種各樣的發(fā)光二極管，包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡稱LED）、數(shù)碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管，在眾多類型的發(fā)光二極管中，我們選擇了使用較為普遍的紅色LED（圖圖和表是有區(qū)別的不能這樣籠統(tǒng)地寫，以下要求相同1）做為重點

2、，研究了它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電學(xué)特性，發(fā)光特性。圖 SEQ 圖表 * ARABIC 1 圖或表前后要與正文留出一行的間距，以下要求相同我們重點研究的二極管實驗原理大題目頂格寫發(fā)光二極管小題目空兩格寫結(jié)構(gòu)以紅色發(fā)光二極管為例，我們將其切開，可以清楚的看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的核心是PN結(jié)，正是由于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，所以發(fā)光二極管只有通以正向電壓時才可以發(fā)光，當(dāng)PN結(jié)承受反向電壓時，電阻趨于無窮大，二極管截止，不會發(fā)光。圖 SEQ 圖表 * ARABIC 2 剖開的紅色LEDLED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由-族化合物，如砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，

3、即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流（多子）復(fù)合而發(fā)光，如下圖所示：圖 SEQ 圖表 * ARABIC 3 LED發(fā)光原理圖LED的電學(xué)特性LED的常見電學(xué)參數(shù)通過查找資料，我們找到了LED的一些常用參數(shù)：1.1允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。1.2最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 1.3最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管

4、可能被擊穿損壞。1.4正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6IFm以下。1.5正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在 IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.43V。在外界溫度升高時，VF將下降。2.LED的伏安特性在LED兩端加上不同的電壓，測得多組（UI）值，可以得到LED的伏安特性曲線，從實驗得出的伏安特性曲經(jīng)可以看出，在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光，而當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，二極管發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及

5、反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR10A以下。圖 3 序號依次按順序編伏安特性曲線發(fā)光二極管的光強分布規(guī)律下圖給出的發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標(biāo)為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。圖 4 理論光強分布圖實驗儀器發(fā)光二極管、直流穩(wěn)壓源、萬用表、電阻箱、導(dǎo)線、開關(guān)、光功率計。直接寫出所用材料即可，也可在儀器或材料前后說明一下：如測試性能用，制作應(yīng)用裝置用。本板，面包板，導(dǎo)線圖 SEQ 圖表 * ARABIC 5 伏安特性測試裝置圖 SEQ 圖

6、表 * ARABIC 6 光強測試裝置最好在圖中標(biāo)出儀器名稱實驗步驟測量發(fā)光二極管的伏安特性建議再測量一下反向的伏安特性曲線，以保證數(shù)據(jù)的完整性按照下圖連接實驗電路，其中滑動變阻器用變阻箱代替。由于電流的測試不方便，如前所述，PN結(jié)正向?qū)〞r電阻很小，如果我們串接萬用表可以串聯(lián)電流表吧？在電路里，萬用表的內(nèi)阻會對實驗結(jié)果造成較大的影響，并且萬用表進行電流、電壓測量需要改換插頭，對于測量會造成一定的不便，因此我們選擇采用間接測量電壓表的內(nèi)阻一般是幾千歐-幾十千歐，當(dāng)電阻箱的阻值較大是，會不會因為電壓表的分流而使結(jié)果不準(zhǔn)確呢？的方法，在此法中總電壓保持不變，測量變阻箱電壓，由于電阻箱阻值和其兩端的

7、壓降測量都是相對精確的，我們進而測得二極管電壓，電路中電流由求得，即可得到二極管的電流電壓關(guān)系，畫出相應(yīng)的伏安特性曲線，為保證二極管在串接較低電阻時也不會燒壞，我們加入了470歐姆的限流保護電阻。圖 SEQ 圖表 * ARABIC 7 伏安特性測試電路改變變阻箱的阻值，記下多組（R，U）的值，此過程中保持電源總電壓不變。由記錄的數(shù)據(jù)算出二極管兩端的電壓和電流并列表。對數(shù)據(jù)進行處理，畫出伏安特性曲線并進行分析。測試一二編號都保留，不知怎么回事就被劃掉了。二極管的光強分布測量發(fā)光二極管法線方向光強與距離的關(guān)系。如圖8所示，在本次測量實驗中，我們通過電學(xué)特性測量與查找資料，在保持電源電壓5V的情況下

8、，串入150歐姆電阻，使得二極管的工作電流為20mA,這樣的工作電流是二極管的正常工作電流，連好線路后，我們保持單一變量是發(fā)光二極管中心到光功率計接收孔的距離，使發(fā)光二極管正對光功率計，改變接收器的位置，記錄光源到接收器原位置和光功率計的讀數(shù)，在這里為了使實驗現(xiàn)象更為明顯，我們選擇了光功率計的200uw量程，與直徑為6mm的接收孔，從較近位置到較遠(yuǎn)位置合理選擇了一系列的測試點，得到光強與距離的關(guān)系。圖 SEQ 圖表 * ARABIC 8 發(fā)光二極管法線方向光強與距離的關(guān)系測試儀器 同圖8裝置，固定光源到接收器的距離，這里我們選擇在測量光強與距離關(guān)系實驗中的一個適中位置（65mm），在這個位置處

9、，光強實數(shù)較大，距離適中，符合一般二極管的使用情況，具有較強的代表性。旋轉(zhuǎn)發(fā)光源，改變發(fā)光中心與導(dǎo)軌的夾角，觀察光功率計的讀數(shù)變化不需要記錄嗎？，在此過程中保持LED電壓各距離不變這句話是什么意思?。俊Ｓ涗浐头治鰧嶒灁?shù)據(jù)，并注意發(fā)光二極管中心與滑塊中心的偏差，測量修正值，在數(shù)據(jù)處理中使用修正值使得結(jié)果更為精確有這個修正很好！。數(shù)據(jù)處理和誤差分析發(fā)光二極管的伏安特性1.伏安特性數(shù)據(jù)記錄（變阻箱電壓和電阻）R（歐姆）U（伏）R（歐姆）U（伏）R（歐姆）U（伏）900003.42525003.2623003.1800003.41920003.2492503.085700003.41319003.24

10、52003.065600003.40618003.2421503.04500003.39917003.2381003.015400003.3916003.234903.015300003.37815003.23803.013200003.36214003.226703.008180003.35713003.22603.003160003.35212003.215502.996140003.34611003.208452.996120003.3410003.2402.99100003.3329003.192352.98490003.3288003.184302.9880003.3227003.1

11、74252.96770003.3166003.161202.9560003.3095003.145152.9150003.34503.135102.82840003.2894003.12392.78130003.2733503.11382.7352.數(shù)據(jù)處理和圖表分析根據(jù)和將上面圖表中對應(yīng)的值算出，然后得到如下的伏安特性曲線：圖 SEQ 圖表 * ARABIC 9 實驗測得的LED伏安特性曲線作圖最好保留原始數(shù)據(jù)點的痕跡，excel或origin等軟件可以實現(xiàn)這種效果從圖中看出，在發(fā)光二極管電壓小于2V時，LED的電流接近零，發(fā)光二極管基本不亮，而在電壓大于2V時，電流隨電壓迅速增加。因此我們

12、可以認(rèn)為2V是二極管的閾值電壓正向?qū)妷海?，?dāng)電壓大于2V時，二極管正向?qū)娏餮杆僭黾?，發(fā)光亮度迅速變亮，當(dāng)亮度變化到很大的時候，繼續(xù)加大電壓，人眼無法明顯分辨出光強變化，繼續(xù)增大電壓，亮度變?nèi)?，直至發(fā)光二極管熄滅，檢測發(fā)現(xiàn)此時的二極管已經(jīng)被擊穿損壞。電流上升階段是非線性的，這是由PN結(jié)的電學(xué)特性決定，也受到環(huán)境（如溫度）的一定影響，但是從曲線整體的趨勢看，所測得理論值已經(jīng)與一般發(fā)光二極管的情況完全相符了：在上升階段的中間部分，出現(xiàn)了一段近似的線性上升，我們一般讓二極管工作在這個區(qū)域。在電壓小于2V的時候，雖然給二極管是施加的是正向電壓，但是從實驗和圖中可以看出，此時流過二極管的電流非常的

13、小，不足以驅(qū)動二極管發(fā)光，因此我們認(rèn)為這個區(qū)域是二極管工作的死區(qū)，只有當(dāng)電壓大于閾值電壓，二極管才能產(chǎn)生一定的正向?qū)娏?，?qū)動二極管發(fā)光。實驗中，我們也對二極管的反向特性進行了測試，在反向電壓小于33V時，二極管不發(fā)光，電流為零，由于直流穩(wěn)壓源提供的最高電壓為33V，并且安全電壓是36V，因此我們無法測出反向擊穿電壓。我們從參考資料得擊穿電壓為30V到60V。發(fā)光二極管光強分布測試測量發(fā)光二極管法線方向光強與距離的關(guān)系實驗記錄如下其中：修正距d電壓3.5cm3.04V接收器X1表中所用物理量均需注明單位光源X2距離L=X2-X1-d功率P左右左右平均66.569.568737674.5311

14、9.2666967.5737674.53.581.265.568.567737674.5456.3656866.5737674.54.542.864.567.566737674.5531.9646765.5737674.55.525.163.566.565737674.5620.5636664.5737674.56.516.262.565.564737674.5713.2626563.5737674.57.511.661.564.563737674.589.7616462.5737674.58.58.660.563.562737674.597.5606361.5737674.59.56.659

15、.562.561737674.5105.7596260.5737674.510.5558.561.560737674.5114.6586159.5737674.511.54.157.560.559737674.5123.7576058.5737674.512.53.456.559.558737674.5133.1565957.5737674.513.52.8555856.5737674.514.52.3545755.5737674.515.52535654.5737674.516.51.7525553.5737674.517.51.5505351.5737674.519.51.1485149.

16、5737674.521.50.8464947.5737674.523.50.6444745.5737674.525.50.5424543.5737674.527.50.4404341.5737674.529.50.3353836.5737674.534.50以P為縱坐標(biāo)，L為橫坐標(biāo)作圖如下：圖 SEQ 圖表 * ARABIC 10發(fā)光二極管法線方向光強與距離的關(guān)系曲線從圖中看出，在法線方向上（導(dǎo)軌方向），光強與距離呈非線性關(guān)線，在L較小時，P下降迅速，在L較大時，P下降緩慢。說明光強的衰減在距離較小時是非常迅速的，當(dāng)衰減到一定程度時，這種衰減變得不再明顯，最后平緩的趨于0可以用曲線擬合一下，驗

17、證是不是符合平方反比關(guān)系。發(fā)光二極管光強與光源角度的關(guān)系。實驗記錄如下：其中：（注：當(dāng)光源正對接收器時，此時自制的指針指向刻度盤102度）修正距d電壓3.5cm3.04V角度功率角度功率700.110058.5750.5102.560.2800.810530.782.51.2107.522.6851.711010.787.52.41153.9905.21202.492.59.81251.69538.61301.197.5461350.3以功率P為縱坐標(biāo)，角度為橫坐標(biāo)，作圖如下：圖 SEQ 圖表 * ARABIC 11 發(fā)光二極管光強與光源角度的關(guān)系曲線由圖11可知，發(fā)光功率與角度關(guān)系是一個單峰

18、曲線，在發(fā)光二級管正對接收器時，光功率計的讀數(shù)最大。當(dāng)光源向兩邊旋轉(zhuǎn)時，光功率計讀數(shù)減小。這種減小理論上應(yīng)該是左右對稱的，但是由于制造工藝、二極管左右對稱性，兩邊的衰減并不是標(biāo)準(zhǔn)對稱的，但是都可以看出，與距離相似，這種衰減也是非線性的，并且在較小的角度內(nèi)衰減很迅速，之后衰減減緩并平穩(wěn)趨于0可以進一步用一個二次曲線擬合一下。三 實驗總結(jié)如摘要所述，二極管在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用無處不在，發(fā)光二極管（LED）是我們最常見的二極管，二極管原理簡單，應(yīng)用廣泛，但是由于生產(chǎn)廠家不同，價格不同，很多的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)理論值相比有一定的出入，但是通過測量，我們發(fā)現(xiàn)這種出入是很小的，是我們可以接受的。通過電學(xué)特性的測量，

19、我們實際繪制了二極管的伏安特性曲線，與標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)的曲線相比，實驗結(jié)果是相似的，驗證了二極管的正向?qū)ㄩ撝惦妷海ㄟ^實驗，我們發(fā)現(xiàn)即使二極管承受正向電壓，如果這個電壓小于二極管的閾值電壓，電路中的電流幾乎為0，可以認(rèn)為二極管沒有導(dǎo)通，當(dāng)電壓超過閾值電壓之后，電流隨電壓上升而上升，光強變大，但是如果電壓過大，二極管會被損壞。我們測得閾值電壓為2V，與理論值2V-2.2V是相符的。通過伏安特性曲線，加深了對PN結(jié)導(dǎo)通原理的理解。在光學(xué)特性測量中，我們以單一變量為原則，研究了光強與距離，角度的關(guān)系，并繪制了相應(yīng)的曲線，通過實驗測量與數(shù)據(jù)分析、曲線繪制，我們得出了光強與距離、角度的非線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在較近

20、的距離和角度內(nèi)，光強下降迅速明顯，之后趨勢變緩。通過電、光特性實驗的設(shè)計與測量，我們對生活中常用器件發(fā)光二極管的特性有了更好的認(rèn)識，對PN結(jié)特性有了更深的印象，較為全面的掌握了發(fā)光二極管的主要物理特性，因此，我們的實驗是成功的。第二部分： 應(yīng)用裝置整體布局綜合電路連接和美觀兩個角度考慮，我們在20*30cm單孔線路板上進行布局，經(jīng)過一些天的制作，成品如下如所示：圖 SEQ 圖表 * ARABIC 12 電子時鐘成品系組組成1.控制核心為了減小體積，節(jié)約成本，我們選用一塊STC89C52單片機做為控制核心，對各顯示模塊進行相應(yīng)的控制，單片機控制系統(tǒng)電路圖如下：圖 SEQ 圖表 * ARABIC 13 STC89C52最小系統(tǒng)2數(shù)碼管部分我們采用了2個兩位共陽數(shù)碼管對時間進行顯示，第一個顯示小時，第二個顯示分鐘，中間的“：”是兩個閃爍的LED燈，用單