发光二极管物理实验报告

项目说明书

张益鑫39032517 赵正39032510 王冬39032526

第一部分：发光二极管特性的研究

摘要：

在我们的生活中，随处可见到各种各样的发光二极管，包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管，在众多类型的发光二极管中，我们选择了使用较为普遍的红色LED（图1）做为重点，研究了它的内部结构，电学特性，发光特性。

图 1 我们重点研究的二极管

实验原理

一、发光二极管结构

以红色发光二极管为例，我们将其切开，可以清楚的看到其内部结构，它的核心是PN 结，正是由于PN结的单向导电性，所以发光二极管只有通以正向电压时才可以发光，当PN 结承受反向电压时，电阻趋于无穷大，二极管截止，不会发光。

图 2 剖开的红色LED

二、 LED发光原理

-Ⅳ族化合物，如砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N

在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流（多子）复合而发光，如下图所示：

图 3 LED发光原理图

三、 LED的电学特性

1.LED的常见电学参数

通过查找资料，我们找到了LED的一些常用参数：

1.1允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。

1.2最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。

1.3最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

1.4正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根

据需要选择IF在0.6·IFm以下。

1.5正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是

在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF 将下降。

2.LED的伏安特性

在LED两端加上不同的电压，测得多组（U—I）值，可以得到LED的伏安特性曲线，从实验得出的伏安特性曲经可以看出，在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光，而当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，二极管发光。由V-I

曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电

流IR<10μA以下。

图 3 伏安特性曲线

四、发光二极管的光强分布规律

下图给出的发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发

光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。

图 4 理论光强分布图

实验仪器

发光二极管、直流稳压源、万用表、电阻箱、导线、开关、光功率计。

本板，面包板，导线

图4 伏安特性测试装置

图5 光强测试装置

实验步骤

测量发光二极管的伏安特性

按照下图连接实验电路，其中滑动变阻器用变阻箱代替。由于电流的测试不方便，如前所述，PN 结正向导通时电阻很小，如果我们串接万用表在电路里，万用表的内阻会对实验结果造成较大的影响，并且万用表进行电流、电压测量需要改换插头，对于测量会造成一定的不便，因此我们选择采用间接测量的方法，在此法中总电压保持

5E V =不变，测量变阻箱电压0U ，由于电阻箱阻值和其两端的压降测量都是相对精确的，我们进而测得二极管电压

U E U =-，电路中电流由

0/I U R =变

求得，即可得到

二极管的电流—电压关系，画出相应的伏安特性曲线，为保证二极管在串接较低电阻时也不会烧坏，我们加入了470欧姆的限流保护电阻。

图6 伏安特性测试电路

1.改变变阻箱的阻值，记下多组（R，U）的值，此过程中保持电源总电压不变。

2.由记录的数据算出二极管两端的电压和电流并列表。

3.对数据进行处理，画出伏安特性曲线并进行分析。

测试二极管的光强分布

1.测量发光二极管法线方向光强与距离的关系。

如图8所示，在本次测量实验中，我们通过电学特性测量与查找资料，在保持

电源电压5V的情况下，串入150欧姆电阻，使得二极管的工作电流为20mA,这

样的工作电流是二极管的正常工作电流，连好线路后，我们保持单一变量是发

光二极管中心到光功率计接收孔的距离，使发光二极管正对光功率计，改变接

收器的位置，记录光源到接收器原位置和光功率计的读数，在这里为了使实验

现象更为明显，我们选择了光功率计的200uw量程，与直径为6mm的接收孔，

从较近位置到较远位置合理选择了一系列的测试点，得到光强与距离的关系。

图 7 发光二极管法线方向光强与距离的关系测试仪器

2.同图8装置，固定光源到接收器的距离，这里我们选择在测量光强与距离

关系实验中的一个适中位置（65mm），在这个位置处，光强实数较大，距离

适中，符合一般二极管的使用情况，具有较强的代表性。旋转发光源，改变

发光中心与导轨的夹角，观察光功率计的读数变化，在此过程中保持LED电

压各距离不变。

3.记录和分析实验数据，并注意发光二极管中心与滑块中心的偏差，测量修正

值，在数据处理中使用修正值使得结果更为精确。

数据处理和误差分析

一、发光二极管的伏安特性

1.伏安特性数据记录（变阻箱电压和电阻）