3.24LED实验讲义

3.24LED光电特性研究

一、实验目的

1.了解LED的光电特性，理解LED的发光机理。

2.学会用CIE标准定量测量平均辐射（发光）强度及半值角。

3.了解LED电流注入与辐射功率的关系及其测量方法。

4.了解LED的光谱特性及其测试方法。

二、实验原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长（光的颜色），是由形成P-N结材料决定的。

大功率LED，一般指大于0.65W，这一点不同公司内部也会有不同的标准，因为目前在大功率LED领域还没有形成大家一致认可的行业标准。光强与流明比小功率大，但同样散热也很大，现在大功率大多是单颗应用，加上有效散热面积很大的散热片，也出现了集成在一起的LED灯矩阵，但是散热效果不是很好。小功率一般是0.06W左右的。

1．LED器件的测试

对于LED器件，因其体积小、定向发射光、高亮度、PN结电特性等特点，从而在品质的评价和检测方法方面产生许多新的问题。不同的应用场合，决定了

对LED产品的性能要求。从而在品质的评价和检测方面产生许多新的问题。从光学性能来看，主要是亮度、视角分布、颜色、光通量、光束空间分布、显色特性及辐射照度等参数。此外，LED既是一种光源，又是一种功率型半导体器件。因此有关它的质量必须从光学、点穴等诸多方面进行综合评价。

1.1电特性测量参数

电特性：LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED 必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED 的最佳工作电功率。

正向电压VF Forward voltage

通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降

反向电流IR Reverse current

加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。

反向电压VR Reverse voltage

被测LED器件通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。1.2光特性测量指标

光学性能：LED的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”，主要有发光峰值波长、光谱辐射贷款、发光强度、半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。

1.2.1LED器件平均发光强度averaged LED intensity

光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd ，它表示光源在某单位球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出的光通量。1cd =1lm/1sr （sr ：立体角的球面度单位）。

照射在离LED 器件一定距离(d)处的光度探测器上的光通量V φ。与由光度探测器构成的立体角Ω的比值。按公式(1)计算LED 器件平均发光强度V I ：

2/v v v I s d φφ=

=Ω (1)

式中：S—光度探测器的面积，单位为2

m ；V I --平均发光强度，单位为cd。

CIEl27推荐在标准条件A 和标准条件B 这两种条件下，测量远场和近场条件下的LED 器件平均发光强度，分别用符号地LEDA I 和LEDB I 来表示。

1.2.2LED 光通量luminous flux

由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流明（lm ）。根据发光强度和光通量的定义,可以导出如下计算光通量的公式：

…………………………

（2）

式中,φ为主光束光通量,单位流明,I 为发光强度,单位cd；α为发散角,单位度。按上述公式得出的φ仅为发光管主光束的光通量,此处还应包括散射光。因而,总的光通量比φ大。但是,由于散射光难于计算,一般情况下,只算出主光束光通量就可以比较其发光效率的高低了。

1.2.3半强度角Ola half-intensity angle

在发光强度分布图形中，发光强度等于最大强度一半所对应的角度，如图：

1.2.4峰值波长Pλpeal wavelength

光谱分布曲线最大值对应的波长（见图3）

∆spectral bandwidth at halfintensity levels

1.2.5光谱半宽度λ

在峰值波长两侧光强度为最大值的一半时所对应的波长之差值(见图3)

（图3）

1.2.6光谱分布P(λ)spectral distribution

在可见光波长范围内，各个波长的光辐射分布情况。

1.2.7主波长Dominant wavelength

任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源（如CIE标准光源A、B、C等）相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）。

若已获得被测LED器件的色度坐标，就可以采用等能白光E光源（x0＝0.3333，y0＝0.3333）作为参照光源来计算决定颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率，查表