光电特性综合实验报告
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换红光 LED 重复，只测正向。 2. 观察 LED 辐射强度空间分布及半值角的测量
采用标准条件 B。插入待测圆头 LED，距 L=100mm 处对准固定探测器，信号接入光 功率计短波插孔。未点亮时记录光功率 I0，打开开关，电压调节至 IF=25mA。旋转转台， 记录最大光功 Imax 和对应角度。顺时针及逆时针转动，记录不同角度对应光功，尤其是 半最大功率对应角度。
CIE 标准条件要求所用的探测器有一个面积为 1cm2 的圆入射孔径。LED 面向探测器 放置，并且保证 LED 的机械轴通过探测器的孔径中心。本实验采用 CIE 标准条件 B，只 测量平行于光轴的半值角（光功率）。
半值角指等于最大光功率一半的两个位置间的家教，包括平行和垂直 PN 结的两个 方向。 3. LED 电光转换特性
0.24
7.61
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0.30
8.18
3.24 3.25 3.26 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35
反向压降（V） 8.40 8.71 8.92 9.12 9.31
正向电流（mA） 0 0.5 1
图 1 白色 LED 正向及反向 V-I 特性曲线
8
1.78
9
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背景光功率：0.001uW 辐射效率η：0.007
0.100 0.111 0.125 0.138 0.152 0.165 0.178 0.193 0.205 0.220 0.232 0.246 0.259 0.272 0.285 0.298 0.310 0.323
思考题
图 4 实验数据截图
1. 为什么 LED 能发出各种颜色的光？ LED 的发光颜色和发光效率与制作 LED 的材料和制程有关。半导体内原子，不允许存在
的能量状态的区域称为带隙，用 Eg 表示。在 LED 的 PN 结上加正向偏压，发射波长可表示为： λ＝1.2396/Eg 。由此可知不同的 Eg 对应了不同的颜色。 2. 试解析 LED 的反向电流。比较实验中的两种 LED 的反向电流特性，有什么发现？
0.099 0.11 0.124 0.137 0.151 0.164 0.177 0.192 0.204 0.219 0.231 0.245 0.258 0.271 0.284 0.297 0.309 0.322
0.0070 0.0068 0.0069 0.0069 0.0069 0.0069 0.0068 0.0069 0.0068 0.0068 0.0068 0.0068 0.0067 0.0067 0.0067 0.0066 0.0065 0.0065
3. 参考光辐射的相关教材，了解辐射度量和光度量之间的关系和区别，熟悉常用光 度学物理量的意义。
辐射度量的各个基本量对整个的电磁波谱都适用，而在光度学中光度量和辐射度量的定 义、定义方程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段（380~780nm）才有意义。
光通量（luminous flux）：由发光体发出的光能，在单位时间内到达、离开或通过某一截 面的光能数量，叫光通量。
表格 1 白色 LED 正向加压
正向电流（mA）
正向压降（V）
正向电流（mA）
0
2.81
9
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3.01
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14
正向压降（V） 3.16 3.17 3.17 3.19 3.20 3.21 3.23
3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5
光电特性综合实验报告
谭旭 39173101
2012.5.
实验一 发光器件的光电特性试验
实验目的：
1. 了解发光器件 LED 的电学特性，包括 LED 的正向电流、正向压降、LED 的反向电流、 反向压降；对 LED 的极限参数有明确的概念，正确、安全的使用 LED；通过电学特 性的测量，认识 LED 的发光机理。
1 P 15, 2 P 15 ，分别以λ1，λ2 为中心，在其左右各 5nm 的波长范围内改
用 1nm 的步距扫描，得到最接近 1/2λP 的两个波长λ1‘，λ2‘。 在计算机上观测数据及曲线并打印结果。根据光谱曲线，得到峰值波长λP 和谱宽。
实验结果及处理：
1. 测试 LED 发光原理及伏安特性
光输出功率与注入电流的关系曲线，即 P-I 曲线。LED 输出光功率包括之流输出功 率和脉冲输出功率。真实曲线应在实验前读出环境条件下的光功率，绘图时用实验数据 减去这一初始偏差。 4. LED 的光谱特性
基本思路是通过单色仪分光（步进电机控制），将连续光谱变成近似单色光，通过 探测器及相应的放大、A/D 转换、采集电路，在计算机上得到光谱曲线。
68°
0.004
0.003
50°
0.005
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0.006
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0.003
-12°
0.003
0.002
-14°
0.002
0.001
-28°
0.001
0
测量过程最大光功率：Imax=0.006uW 背景光功率：I0=0.001uW 半最大功率角度：78°和-12°
0.009
2
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0.021
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0.032
0.031
4
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0.085
0.084
η = P/I������V������
0.0055 0.0060 0.0061 0.0064 0.0066 0.0067 0.0068
2. 了解半值角的概念和它的意义，了解 LED 发光的空间特性；学会用 CIE 标准定量 测量 LED 平均辐射（发光）强度及半值角。
3. 了解 LED 的辐射功率和注入电流（P-I）的关系及其测量方法，了解 LED 的辐射（发 光）效率。
4. 了解 LED 的光谱特性和测量方法；根据 LED 的谱宽进一步理解其自发发光机理；了 解光电探测器的信号放大，处理的原理。
反向电流（mA） 0
0.03 0.06 0.09 0.12 0.15
3.05
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20
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表格 2 白光 LED 反向加压
反向压降（V）
反向电流（mA）
5.88
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0.21
7.15
图 3 红光 LED 的 P-I 特性曲线 4. 测试 LED 的光谱特性 500—780nm 扫描最大������0 = 3.7011对应������P1 = 650.00nm。之后在 650nm 附近扫描，最 大值对应������P = 652.000nm。以及������′1/2 = 637.000nm和������′′1/2 = 669.000nm，由此∆λ = 32nm。
光强（mcd） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
3. 测试 LED 的光电转换特性（P-I）
表格 6 红光 LED 的 P-I 特性参数
LED 正向电流
LED 正向电压
测量光功率
实际光功率
（mA）
（V）
（uW）
（uW）
0
1.56
0.001
0
1
1.64
0.010
实验装置：
LED 电学特性测试仪 三波长光功率计
实验内容：
1. 测试 LED 发光原理及伏安特性 待测白光 LED 插入转台上插孔，LED 电源接测试盒正向输出端，旋钮逆时针至最大。
接通电源，调节旋钮，记录正向电流和电压表的数据。取值开始密集，之后加大步距。 复原旋钮，关电源，反向接 LED，操作同上。
更换平头 LED，重复。 3. 测试 LED 的光电转换特性（P-I）
红光 LED 正向电压，尽量靠近探测器，未点亮时读出环境光功 P0.打开开关，缓慢 增加正向电流，记下正向电压、电流，功率计上读出相应读数。 4. 测试 LED 的光谱特性
插入红光 LED 的胶木棒和圆筒一起固定在单色仪入口位置，入口狭缝最大，引出线 接到面板上航空插座。将装有光电三极管的胶木棒置入单色仪出口狭缝的光筒，三极管 的引出线红线接到探测器实验控制面板的引脚 2，黑色接 1（见图 1-10）。出口狭缝缝 宽调整到 0.5mm。选择 0.3MΩ 的反馈电阻接入孔 4，5。
17
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5
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5.5
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图 2 红色 LED 的正向 V-I 特性曲线
Fra Baidu bibliotek
2.
转角 72° 52° 50° 49° 48° 46° 45°
发光强度（luminous intensity）：发光强度简称光强，是描述点光源发光强弱的一个基本 物理量。以点光源在指定方向上的立体角元（单位立体角，或 1 球面度）内所发出的光通量 来度量。
光亮度（lightness/brightness）：亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物 理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比， 定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。
打开 LED 电源，将电流调节至 IF ＝20mA；打开测试仪电源总开关，在计算机上运 行 CSY10E 的软件。将单色仪出口波长调整到 500nm，然后以 10nm 的步距在 500—780nm 之间扫描，观察探测到的数据（如果超过 9.9 则应减小出口狭缝的缝宽）。记下最大值 P0 对应的波长λP1。在λP1 左右各 10nm 的波长范围内改为 1nm 的步距扫描，得到新 的最大值λP2，λP2 就是 LED 的峰值波长，记为λP。 以λP 为中心，取两个波长
0.002
0.2
-4°
0.002
0.001
0.1
测量过程最大光功率：Imax=0.028uW 背景光功率：I0=0.001uW 半最大功率角度：48°和 28°
表格 5 红光平头 LED 角度 vs 光功
角度（度）
测量光功率（uW）
实际光功率（uW）
83°
0.002
0.001
75°
0.003
0.002
观察 LED 辐射强度空间分布及半值角的测量
表格 4 角度 vs 光功（圆头红光 85mm）
测量光功率（uW）
实际光功率（uW）
0.002
0.001
0.005
0.004
0.008
0.007
0.011
0.01
0.014
0.013
0.018
0.017
0.021
0.02
光强（mcd） 0.1 0.4 0.7 1 1.3 1.7 2
实验原理：
1. LED 电学特性： 半导体内原子，不允许存在的能量状态的区域称为带隙，用 Eg 表示。在 LED 的 PN
结上加正向偏压，发射波长可表示为： λ＝1.2396/Eg
由此可知不同的 Eg 对应了不同的颜色。 2. LED 的能量空间分布
发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与光 源离探测器的距离相比足够小（远场条件）。但是在 LED 测量的许多实际应用场合中， 往往距离不够长，光源尺寸相对太大或者是 LED 与探测器表面构成的立体角太大，在这 种近场条件下，并不能很好的保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几 个因素的不同而不同。CIE 使用“平均发光强度”的概念：照射在与 LED 保持一定距离 处的光探测器上的通量ΦV 与由探测器构成的立体角的比值。
43°
0.025
0.024
2.4
40°
0.028
0.027
2.7
37°
0.025
0.024
2.4
31°
0.021
0.02
2
30°
0.018
0.017
1.7
28°
0.015
0.014
1.4
27°
0.012
0.011
1.1
26°
0.009
0.008
0.8
24°
0.006
0.005
0.5
20°
0.003
表格 3 红光 LED 正向加压
正向压降（V）
正向电流（mA）
1.57
9
1.62
9.5
1.64
10
正向压降（V） 1.79 1.79 1.80
1.5
1.66
11
1.81
2
1.67
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2.5
1.69
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1.84
3
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1.85
3.5
1.71
15
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采用标准条件 B。插入待测圆头 LED，距 L=100mm 处对准固定探测器，信号接入光 功率计短波插孔。未点亮时记录光功率 I0，打开开关，电压调节至 IF=25mA。旋转转台， 记录最大光功 Imax 和对应角度。顺时针及逆时针转动，记录不同角度对应光功，尤其是 半最大功率对应角度。
CIE 标准条件要求所用的探测器有一个面积为 1cm2 的圆入射孔径。LED 面向探测器 放置，并且保证 LED 的机械轴通过探测器的孔径中心。本实验采用 CIE 标准条件 B，只 测量平行于光轴的半值角（光功率）。
半值角指等于最大光功率一半的两个位置间的家教，包括平行和垂直 PN 结的两个 方向。 3. LED 电光转换特性
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3.24 3.25 3.26 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35
反向压降（V） 8.40 8.71 8.92 9.12 9.31
正向电流（mA） 0 0.5 1
图 1 白色 LED 正向及反向 V-I 特性曲线
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背景光功率：0.001uW 辐射效率η：0.007
0.100 0.111 0.125 0.138 0.152 0.165 0.178 0.193 0.205 0.220 0.232 0.246 0.259 0.272 0.285 0.298 0.310 0.323
思考题
图 4 实验数据截图
1. 为什么 LED 能发出各种颜色的光？ LED 的发光颜色和发光效率与制作 LED 的材料和制程有关。半导体内原子，不允许存在
的能量状态的区域称为带隙，用 Eg 表示。在 LED 的 PN 结上加正向偏压，发射波长可表示为： λ＝1.2396/Eg 。由此可知不同的 Eg 对应了不同的颜色。 2. 试解析 LED 的反向电流。比较实验中的两种 LED 的反向电流特性，有什么发现？
0.099 0.11 0.124 0.137 0.151 0.164 0.177 0.192 0.204 0.219 0.231 0.245 0.258 0.271 0.284 0.297 0.309 0.322
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3. 参考光辐射的相关教材，了解辐射度量和光度量之间的关系和区别，熟悉常用光 度学物理量的意义。
辐射度量的各个基本量对整个的电磁波谱都适用，而在光度学中光度量和辐射度量的定 义、定义方程是一一对应的，只是光度量只在光谱的可见波段（380~780nm）才有意义。
光通量（luminous flux）：由发光体发出的光能，在单位时间内到达、离开或通过某一截 面的光能数量，叫光通量。
表格 1 白色 LED 正向加压
正向电流（mA）
正向压降（V）
正向电流（mA）
0
2.81
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2.5
3.01
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3.03
14
正向压降（V） 3.16 3.17 3.17 3.19 3.20 3.21 3.23
3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5
光电特性综合实验报告
谭旭 39173101
2012.5.
实验一 发光器件的光电特性试验
实验目的：
1. 了解发光器件 LED 的电学特性，包括 LED 的正向电流、正向压降、LED 的反向电流、 反向压降；对 LED 的极限参数有明确的概念，正确、安全的使用 LED；通过电学特 性的测量，认识 LED 的发光机理。
1 P 15, 2 P 15 ，分别以λ1，λ2 为中心，在其左右各 5nm 的波长范围内改
用 1nm 的步距扫描，得到最接近 1/2λP 的两个波长λ1‘，λ2‘。 在计算机上观测数据及曲线并打印结果。根据光谱曲线，得到峰值波长λP 和谱宽。
实验结果及处理：
1. 测试 LED 发光原理及伏安特性
光输出功率与注入电流的关系曲线，即 P-I 曲线。LED 输出光功率包括之流输出功 率和脉冲输出功率。真实曲线应在实验前读出环境条件下的光功率，绘图时用实验数据 减去这一初始偏差。 4. LED 的光谱特性
基本思路是通过单色仪分光（步进电机控制），将连续光谱变成近似单色光，通过 探测器及相应的放大、A/D 转换、采集电路，在计算机上得到光谱曲线。
68°
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0.003
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测量过程最大光功率：Imax=0.006uW 背景光功率：I0=0.001uW 半最大功率角度：78°和-12°
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η = P/I������V������
0.0055 0.0060 0.0061 0.0064 0.0066 0.0067 0.0068
2. 了解半值角的概念和它的意义，了解 LED 发光的空间特性；学会用 CIE 标准定量 测量 LED 平均辐射（发光）强度及半值角。
3. 了解 LED 的辐射功率和注入电流（P-I）的关系及其测量方法，了解 LED 的辐射（发 光）效率。
4. 了解 LED 的光谱特性和测量方法；根据 LED 的谱宽进一步理解其自发发光机理；了 解光电探测器的信号放大，处理的原理。
反向电流（mA） 0
0.03 0.06 0.09 0.12 0.15
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表格 2 白光 LED 反向加压
反向压降（V）
反向电流（mA）
5.88
0.18
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7.15
图 3 红光 LED 的 P-I 特性曲线 4. 测试 LED 的光谱特性 500—780nm 扫描最大������0 = 3.7011对应������P1 = 650.00nm。之后在 650nm 附近扫描，最 大值对应������P = 652.000nm。以及������′1/2 = 637.000nm和������′′1/2 = 669.000nm，由此∆λ = 32nm。
光强（mcd） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
3. 测试 LED 的光电转换特性（P-I）
表格 6 红光 LED 的 P-I 特性参数
LED 正向电流
LED 正向电压
测量光功率
实际光功率
（mA）
（V）
（uW）
（uW）
0
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实验装置：
LED 电学特性测试仪 三波长光功率计
实验内容：
1. 测试 LED 发光原理及伏安特性 待测白光 LED 插入转台上插孔，LED 电源接测试盒正向输出端，旋钮逆时针至最大。
接通电源，调节旋钮，记录正向电流和电压表的数据。取值开始密集，之后加大步距。 复原旋钮，关电源，反向接 LED，操作同上。
更换平头 LED，重复。 3. 测试 LED 的光电转换特性（P-I）
红光 LED 正向电压，尽量靠近探测器，未点亮时读出环境光功 P0.打开开关，缓慢 增加正向电流，记下正向电压、电流，功率计上读出相应读数。 4. 测试 LED 的光谱特性
插入红光 LED 的胶木棒和圆筒一起固定在单色仪入口位置，入口狭缝最大，引出线 接到面板上航空插座。将装有光电三极管的胶木棒置入单色仪出口狭缝的光筒，三极管 的引出线红线接到探测器实验控制面板的引脚 2，黑色接 1（见图 1-10）。出口狭缝缝 宽调整到 0.5mm。选择 0.3MΩ 的反馈电阻接入孔 4，5。
17
1.88
5
1.73
18
1.90
5.5
1.74
19
1.91
6
1.75
20
1.92
6.5
1.75
21
1.93
7
1.76
22
1.94
7.5
1.77
23
1.95
8
1.77
24
1.96
8.5
1.78
25
1.98
图 2 红色 LED 的正向 V-I 特性曲线
Fra Baidu bibliotek
2.
转角 72° 52° 50° 49° 48° 46° 45°
发光强度（luminous intensity）：发光强度简称光强，是描述点光源发光强弱的一个基本 物理量。以点光源在指定方向上的立体角元（单位立体角，或 1 球面度）内所发出的光通量 来度量。
光亮度（lightness/brightness）：亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物 理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比， 定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。
打开 LED 电源，将电流调节至 IF ＝20mA；打开测试仪电源总开关，在计算机上运 行 CSY10E 的软件。将单色仪出口波长调整到 500nm，然后以 10nm 的步距在 500—780nm 之间扫描，观察探测到的数据（如果超过 9.9 则应减小出口狭缝的缝宽）。记下最大值 P0 对应的波长λP1。在λP1 左右各 10nm 的波长范围内改为 1nm 的步距扫描，得到新 的最大值λP2，λP2 就是 LED 的峰值波长，记为λP。 以λP 为中心，取两个波长
0.002
0.2
-4°
0.002
0.001
0.1
测量过程最大光功率：Imax=0.028uW 背景光功率：I0=0.001uW 半最大功率角度：48°和 28°
表格 5 红光平头 LED 角度 vs 光功
角度（度）
测量光功率（uW）
实际光功率（uW）
83°
0.002
0.001
75°
0.003
0.002
观察 LED 辐射强度空间分布及半值角的测量
表格 4 角度 vs 光功（圆头红光 85mm）
测量光功率（uW）
实际光功率（uW）
0.002
0.001
0.005
0.004
0.008
0.007
0.011
0.01
0.014
0.013
0.018
0.017
0.021
0.02
光强（mcd） 0.1 0.4 0.7 1 1.3 1.7 2
实验原理：
1. LED 电学特性： 半导体内原子，不允许存在的能量状态的区域称为带隙，用 Eg 表示。在 LED 的 PN
结上加正向偏压，发射波长可表示为： λ＝1.2396/Eg
由此可知不同的 Eg 对应了不同的颜色。 2. LED 的能量空间分布
发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与光 源离探测器的距离相比足够小（远场条件）。但是在 LED 测量的许多实际应用场合中， 往往距离不够长，光源尺寸相对太大或者是 LED 与探测器表面构成的立体角太大，在这 种近场条件下，并不能很好的保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几 个因素的不同而不同。CIE 使用“平均发光强度”的概念：照射在与 LED 保持一定距离 处的光探测器上的通量ΦV 与由探测器构成的立体角的比值。
43°
0.025
0.024
2.4
40°
0.028
0.027
2.7
37°
0.025
0.024
2.4
31°
0.021
0.02
2
30°
0.018
0.017
1.7
28°
0.015
0.014
1.4
27°
0.012
0.011
1.1
26°
0.009
0.008
0.8
24°
0.006
0.005
0.5
20°
0.003
表格 3 红光 LED 正向加压
正向压降（V）
正向电流（mA）
1.57
9
1.62
9.5
1.64
10
正向压降（V） 1.79 1.79 1.80
1.5
1.66
11
1.81
2
1.67
12
1.82
2.5
1.69
13
1.84
3
1.69
14
1.85
3.5
1.71
15
1.86
4
1.71
16
1.87
4.5
1.72