LED特性测量

LED 特性测量
实验者：林巧玲（11343046） 合作者：洪艺江（12342020） 光信息科学与技术专业 实验地点：物理楼 组别：A14 物理科学与工程技术学院
实验时间：2015.05.27 上午 8:20
一、实验目的
1.了解发光二极管的发光机理、光学特性与电学特性，并掌握其测试方法。 2.设计简单的测试装置，并对发光二极管进行 V－I 特性曲线、P－I 特性曲线的测量。 二、实验原理 LED（light emitting diode）即发光二极管，它属于固态光源。 1.发光二极管的基本原理 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。 当外加一足够高的正 向偏压 V 时，电子和空穴将克服在 p－n 结处的势垒相遇、复合，电子由高能级跃迁到低能 级，电子将多余的能量将以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。选择可以改变半 导体的能带隙， 从而就可以发出从紫外到红外不同波长的光线， 且发光的强弱与注入电流有 关。 2.发光二极管的主要特性 （1）光谱分布、峰值波长和光谱辐射带宽：发光二极管所发之光并非单一波长，其波长具 有正态分布的特点，在最大光谱能量(功率)处的波长成为峰值波长。即使有两个 LED 的峰 值波长是一样的， 但它们在人眼中引起的色感觉也是可能不同的。 光谱辐射带宽是指光谱辐 射功率大于等于最大值一半的波长间隔，它表示发光管的光谱纯度。 （2）光通量：LED 向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量 ΦV（单位 是流明 lm）。国际照明委员会(CIE)为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉 条件(亮度为 3cd/m2 以上)， 归结出人眼标准光 度观测者光谱光效率函数 V (  )，它在 555nm 上有最大值，此时 1W 辐射通量等于 683lm。 通常，光通量的测量以明视觉条件作为测 量条件，可以用积分球来把 LED 发射的光辐 射能量收集起来，并用合适的探测器将它线性 图 1.积分球结构示意图 地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大 小。
第 1 页/共 12 页
档屏 探 测 器
被测 LED

积分球又叫光度球（如图 1）是一个球形空腔，由内壁涂有均匀的白色漫反射层(硫酸 钡或氧化镁)的球壳组装而成， 被测 LED 置于空腔内。 LED 器件发射的光辐射经积分球壁的 多次反射， 使整个球壁上的照度均匀分布， 可用一置于球壁上的探测器来测量这个与光通量 成比例的光的照度。挡屏的设计是为了避免 LED 光直射到探测器。球和探测器组成的整体 要进行校准，同时还要关注探测器与光谱光视效率 V(  )的匹配程度，使之比较符合人眼的 观测效果。 （3）发光强度：取决于 p－n 结中辐射型复合机率与非辐射型复合机率之比，通常是指法线 方向上的发光强度。要求光源是一个点光源，或者满足远场条件，实际中往往没有达到这样 的要求，不能严格测出 LED 的发光强度。 （4）色温：用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色，称作光源的 颜色温度，简称色温。 （5）发光效率：光源发出的光通量除以所消耗的功率 V 
V （单位是 lm/w）。它是衡 I FVF
量光源节能的重要指标。其中 I F ， VF 分别是发光二极管的正向电流和正向电压，ΦV 为光 通量。 （6）显色性：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。也就是颜色的逼真程度。国际 照明委员会 CIE 把太阳的显色指数 （ra）定为 100。 （7） 正向工作电压 VF： 正向工作电压是在给定的正向电流 IF 下得到的。 一般是在 IF =20mA 时测得的。 （8）V－I 特性：满足Shockley方程:
eV  D n2  Dn ni2  i P   e kT  1 I  eA      p ND   n N A   
可调稳流 电压源 (2)
＋ －
在正向电压小于阈值时，正向电流极小，不 发光。当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速 增加。由 V－I 曲线可以得出 LED 的正向电压，
m A V
图 2.LED V－I 特性测试电路 图 反向电流及反向电压等参数。正常情况下常见的 GaN LED 反向漏电流在 VR = -5V 时，反 向漏电流 IR <10μA。 （9）P－I 特性：即 LED 轴向光强与正向注入电流关系特性。LED 光强的测量是按照光度 学上的距离平方反比定律来实现的。测量电路及装置如图 3 和 4 所示。根据 CIE127-1997 标准，取 LED 到探测器端面距离 d＝100mm，探测器接收面直径 a＝11.3mm。
第 2 页/共 12 页

光阑 可调稳流 电流源 ＋ －
A
恒 流 源
d LED
a
V
图 3.LED P－I 特性测试电路图 三、实验仪器
图 4.LED P－I 特性测试装置图
LED（若干种类）、精密数显直流稳流稳压电源、数控式线性直流稳压电源 LPS-305、积分 球（Φ＝30cm）、智能型多功能光度计 Photo－2000J、通用标准光源、光功率计、直尺、万 用表、导线等。 四、实验内容及结果 实验内容 1.测量 LED 光强空间分布 (1)连接实验电路，插入 LED 样品（绿光和红光）注意正负极，取下光功率计探头软盖； (2)打开数控式线性直流稳压电源 LPS-305，设定电压为 2.5V； (3)打开带衰减器的光功率计，按下“CAL”，用指甲旋转“CAL ADJ”设置校准因子（绿光设置 4.16，红光设置 3.74），按下“CAL”弹出； (4)关闭实验室大灯，使处于黑暗环境。转动“ZERO”旋钮调零； (5)按下电源“输出开/关”，选择合适量程（由于功率较低，选择“20μW”）； (6)旋转探头，观察光功率计读数，找到光强最大处，记录此时角度。由此分别往左右以 2° 为步长旋转探头角度，记录光功率计读数，直到光强较弱。 (7)重复以上步骤测量不同的 LED 样品。 2.测量 LED 发光效率 (1)打开积分球，插入 LED 样品（绿光、红光和黄光）注意正负极，关闭积分球； (2)打开精密数显直流稳流稳压电源和多功能光度计，按下光度计的“校零/ZERO”，显示 “zErO”，再按一次“校零/ZERO”，“采样/SAMPLE”指示灯与“校零/ZERO”指示灯同时亮起， 此时仪器处于校零状态，约需 1－2 分钟，直到“校零/ZERO”指示灯灭，校零完毕； (3)按下电源的“ADJUST”选择合适步长，从零开始转动电流、电压调节旋钮（“稳流”亮 时可调电流，“稳压”亮时可调电压），慢慢增大输出电压至 2.5V 左右，记录此过程的输 出电流、电压值以及光通量； (4)重复以上步骤测量不同的 LED 样品。 3.测量 LED 的 V-I 曲线和 P-I 曲线 (1)连接测量电路和架设光路（测量 V-I 特性按照图 6，测量 P-I 特性按照图 8 和图 9），注 意 LED 正负不能接反，并把可调稳流电流源的电流档和电压压档调到最小； (2)检查电路，确认无误后打开可调稳流电流源的开关。适当调大电流源的输出电流和电压， 让 LED 发光以便调准光路，保证 LED 在探测器接收圆面的轴线上，与探测器端面距离 d＝ 100mm；
第 3 页/共 12 页