LED物理特性研究

LED 物理特性研究实验

【实验目的】

1.了解LED 的结构、发光机制和物理特性。

2.

自主设计测量方案，研究LED 的伏安特性、光学特性及热学特性。

【实验内容】

1.自主设计电路发光测量二极管的I-V 特性，测量LED 的开启电压。（必做）

2.测量LED 的I-P 特性。（必做）

3.LED 的I-V 特性温度效应研究。（必做）

4.LED 的I-P 特性温度效应研究。（必做）

5.

LED 的光谱特性研究

【课前预习】

1.查阅参考文献资料，学习各种光电传感器的工作原理及物理特性。

2.

思考伏安特性、光照特性、光谱特性测试的实现方法。

【实验原理】

1、LED 的I-V 特性

LED 多以III-V 族或II-Ⅵ族化合物半导体材料为主制成pn 结的光电器件。它具备pn 结结型器件相似的电学特性。LED 的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻，如图4所示。

(1)正向死区：（图oa 或oa′段）a 点对应的电压Va 为开启电压，当V＜Va 时，外加电场尚克服不了因载流子扩散而形成势垒电场，此时R 很大；开启电压对于不同LED 其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。

（2）正向工作区：当V ＞a V 时，显示出欧姆导通特性，正向工作区电流F I 与外加电压呈指数关系：

mkT

V

F e

I I 0=（1.4）

式中m 为复合因子，k 为波尔兹曼常数，T 为温度。（3）反向死区：V ＜0时，向pn 结加反向偏压

图1

LED 的V-I 特性曲线

R V V −=时，反向漏电流R I （V=-5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。

（4）反向击穿区V ＜-R

V ，R V 称为反向击穿电压；R V 电压对应的R I 为反向漏

电流。当反向偏压一直增加使V ＞-R V 时，则出现R I 突然增加而出现击穿现象。由于所用半导体化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压R V 也不同。目前已有反向击穿电压超过-200V 的LED 问世。2、发光二极管的I-P 特性测量

在结构上，由于LED 与LD 相比没有光学谐振腔。因此，LD 和LED 的功率与电流的P-I 关系特性曲线则有很大的差别。LED 的P-I 曲线基本上是一条近似的线性直线。

从图中可以看出LD 的P-I 曲线有一阈值电流th I ，只有在工作电流F I >th I 部分，P-I 曲线才近似一根直线。而在F I

3、LED 的I-V 曲线温度效应

由于光电子器件是由半导体材料制成，而半导体材料对温度异常敏感，因此温度对LED 的光电特性影响也很大。随着温度的增加，LED 的电流阈值逐渐增大，外微分量子效率逐渐减小。电流阈值与温度的近似关系可以表示为：

()()exp[()/

T T I I T T T th th r r =-（1.6）

式中，T r 为室温，)(T r I th 为室温下的阈值电流，T 0为特征温度。不同温度下，LED 的V--I 曲线如图7.所示，根据此图可以求出LED 的特征温度。

4、LED 的功率特性曲线与温度的关系

因为LED 外部发光效率与温度密切相关如图8.所示，而且制备LED 芯片的材料不同，功率特性曲线与温度依赖关系有所不同，通过研究LED 功率特性曲线与温度关系，为LED 的封装结构和散热热沉设计、以及LED 应用设计提供相关参考数据。

图3.LED 的I-V 曲线温度效应

P

图4.LED功率与温度的关系

【实验仪器】

LED物理特性综合实验仪1台；光功率计；不同波段的LED8只；电源线和连接线若干，温控系统；光栅光谱仪等。

【实验程序】

1.仪器及元器件的准备，组装仪器并测量不同波长LED的I-V特性。（必做）

2.比较不同芯片材料的LED发光二极管的伏安特性的参数和开启电压Va有无变化。（必做）

3.测量不同波长LED的I-P特性。（必做）

4.测量不同温度下LED的I-V特性。（必做）

5.测量不同温度下LED的I-P特性。（必做）

6.LED的光谱特性研究（选作）

【注意事项】

1.注意光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。

2.光电二极管偏压不要接反。

3.连线之前保证电源关闭。

4.在实验过程中电流表的量程应先打到最大，再逐步打小。

5.LED的驱动电源同时间只能点亮一种波长的灯。

6.LED驱动电源模块、电压表&电流表模块的供电电压正负极不要接反。

【思考问题】

1.LED的发光机理是什么？LED有哪些基本特性？

2.LED作为新型光源有何优缺点？

3.根据LED的物理特性，你能提出一种LED的应用设计方案吗？

【背景介绍】

1.LED 基础知识介绍

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED 是英文light emitting diode 的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED 的抗震性能好，LED 的结构如图1.所示。发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n 结。在某些半导体材料的PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，如

图2.所示。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光。LED 发射的光子的光谱范围由参与光辐射复合的导带和价带载流子分布所决定，一般为几十纳米。因为人眼的响应局限于波长为0.4nm 到0.7nm 的范围，所以用来制作可见光LED 的半导体材料的禁带宽度应落在1．8eV 到2．8eV 之间，常用半导体发光二极管（LED），多以III-V 族或II-Ⅵ族化合物半导体材料为主。

发红光的主要有A1GalnP 等，发蓝光、绿光及紫外线的主要有A1GalnN 等，LED 发光的强弱不仅与加在芯片上的电流有关，还与结点的温度有关。

当电子与空穴复合时产生不同波长的

光，而光波长与能量E之间的关系是

图1.LED 结构示意图

a）小功率LED，b）大功率LED

P

N

(a)

E E E E vp

cp vn

cn (b)

图2.PN 结能带图，表征在注入高密度电流时

电子与空穴复合发光的原理