半导体光源特性测试

第一部分光源的研究与实验

实验一、LED光谱测量

1. 实验目的

LED灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度分布特性与光谱特性是人们普遍关心的重要特性，也是难于测量的特性。光源的光谱内含有丰富的信息，为此人们研制出各种光谱探测器进行物质化学成分的分析。安排这个实验有助于学生了解LED发出的光谱成分，并深入掌握光谱探测器的特性，更合理地运用它分析不同光源的光谱。不同颜色与种类的LED发出的光谱辐射带宽与功率分布差异很大。在用LED构成大屏幕显示器应用领域为获得不同颜色的显示效果，必须对所用的LED器件进行光谱特性的测量，以便正确地配制出各种颜色的图案。

2. 实验原理

LED发光光谱特性既有别于LD（半导体激光器）又有别于钨丝灯等热辐射体的发光，它的单色性远不如LD，但光谱范围是有限宽度的，具有较好的单色性，当然通过二次光致发光获得“白光”的LED光谱较为丰富，但是仍然无法与钨丝灯等热辐射体的发光光谱相比。描述LED发光光谱特性的方法是测量它的光谱辐射带宽与功率分布。光谱仪涉及到光源的概念包括缓存参考光（将当前采集的光谱缓存为参考光），减去背景光（减去已经缓存的背景光），缓存背景光（将当前采集的光谱缓存为背景光）等。

光谱探测器进行物质化学成分分析中对物质测量模式有普通模式、吸收率模式、透射率模式、反射率模式，其测量公式如下：

吸收率模式：测量物品对特定波长的吸收率

A = [1.0 - (测量光- 背景光) / (参考光-背景光)] * 100%

透射率模：参考光源对特定波长对待测量物品的透射率

T = (测量光- 背景光) / (参考光-背景光) * 100%

反射率模式：参考光源照射到待测量物品后反射光强的透射率

R = (测量光- 背景光)/ (参考光-背景光) * 100%

注: A + T = 1 ; A + R = 1

图1光纤光谱仪工作原理图

3.实验仪器

①光纤光谱测试仪1台；

②白、红、蓝、绿LED灯各一只

③ LED灯座1只

4实验步骤

1，搭建实验平台

给发光二极供电，数字光谱仪与电脑连接，将光谱仪的探头安放在固定架上拧开盖帽。将二极管正对着光纤端口，打开电源开关，注意驱动电压小于额定电压（推荐2v），如图1。

图1搭建实验平台

启动软件工作模块，图中显示了光谱测量和颜色测量这两个子功能模块。点击相应的按钮或在菜单->窗口中点击相应选项即可以进入功能模块。在下一次启动前，程序会自动进入最后一次打开的功能模块。光谱仪连接如图2。

图2光纤光谱仪

软件界面选择光谱仪后面的绿色按钮表示已经和光谱仪相连接；红色表示已经和光谱仪断开连接。在操作上，程序打开和插入光纤光谱USB接口并没有顺序上的限制，先打开程序或先连接光纤光谱仪都能使系统正常运作。

在程序运行过程中因为某些需要移除光纤光谱仪后，系统会出现提示。当光谱仪再次插入电脑时，程序会自动连接光谱仪，不需额外操作。

点击选择光谱仪跳出如下所示对话框。可以在对话框中组合框选择已连接的光谱仪，如果组合框空白，表示没有光谱仪跟电脑相连接，这时需要插入光谱仪USB接口。当选择需要的光谱仪后点

击确定按钮，立刻连接光纤光谱仪，并开始正常工作。如图3.

图3选择光谱仪

查看已连接的光谱仪的信息，可以参看光谱仪的技术参数设置。如图4。

图4光谱仪信息

测量至少三种LED发光二极管的光谱记录数据和图形，如图5。

图5光谱仪测光源光谱界面

1、习题和思考

①写出实验报告

②思考光谱分析的实验误差主要来自哪里？还有什么可以改进的地方？

实验二、光源与光度辐射度参数的测量

1. 实验目的

学习光本性的基本常识，巩固光电技术中关于光的度量内容，并掌握光电综合实验平台所用光源的发光特性；通过对光源照度的调节与测量，熟练进行光电实验过程中所用数字仪表使用方法，为后面实验做技术准备。

2. 实验仪器

①光电综合实验平台主机系统1台；

②发白光的L ED 平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各1个；

3. 实验原理

LED的发光原理

光电技术中的光源已经逐渐被 LED 发光二极管光源所替代。 LED发光二极管为 PN 结在正向偏置下发光的特性。有些材料构成的 PN 结在正向电场的作用下，电子与空穴在扩散过程中要产生复合。复合过程中电子从高能级的“导带”跌落至低能级的“价带”，电子在跌落过程中若以辐射的形式释放出多余的能量，则将产生发光或发辐射的现象。如图1为注入式LED能带结构，扩散运动中的电子从导带跌入到价带时以辐射的方式释放出多余的能量。它将发出峰值波长λm的辐射，式中，Eg 为半导体材料的禁带宽度。

（1）

图1注入式L ED 能代结构

除了具有发各种单色光谱的发光二极管（LED）外，还可以在发蓝光的发光二极管上涂荧光物质，由于蓝光 LED 的光谱能量很强，荧光物质将其转换成含有各种光谱成分的光谱集合，表现为发出复合波长的“白光”，常称其为白光发光二极管。

如图2所示，LED 发光二极管发出的光亮度 L 与流过 LED的电流强度 I 成正比。因此，可以通过控制电流来控制（或调整）发光二极管的亮度，即可以通过改变发光管的电流改变投射到探测器表面上的照度，这就是LED光源具有的易调整性。利用它的易调特性很容易设计出电光调制器，光纤通讯技术中常用 LED 的这个特性实现长距离的通讯。

图2 亮度与电流密度的关系

另外，发光二极管属于半导体发光光源，它具有体积小、发光效率高、寿命长、发光强度易于调节等特点，被广泛应用于测量仪器与照明灯的光源，鉴于LED的诸多优点，所以被我们选为光电实验平台的光源。

光度参数与辐射度参数

光源发出的光或物体反射光的能量计算通常是用“通量”、“强度”、“出射度”和“亮度”等参数进行度量，对于探测器而言，常用“照度”参数。测量探测器表面的照度是十分重要的问题，许多实际问题常需要通过对照度的测量来分析或计算其他参数。为此这里我们主要讨论照度参数。

辐照度或光照度均为单位探测器表面所接收的辐射通量或光通量。即

（2）式中 S 为探测器的面积。上式也是通过测量照度来测量光源功率的公式。

点光源照度与发光强度的关系实验

从所周知，各向同性的点光源发出的光所产生的照度与发光强度 Iv 成正比，与方向角的余弦（COSφ）成正比，与距离光源的距离平方(l2 )成反比。既可由下式表示