LED特性測量實(shí)驗(yàn)報告

1、LED 特性及光度測量實(shí)驗(yàn)蘇劍邦 A8 學(xué)號： 08323016中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 光信息科學(xué)與技術(shù)郵政編碼： 510275 中國圖書館分類號： O43摘 要： 通過設(shè)計簡單的測試裝置，并對發(fā)光二極管進(jìn)行VI 特性曲線、 P I 特性曲線的測量， 了解發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理、 光學(xué)特性與電學(xué)特性， 并掌握其測試方法。 本文記錄了 紅光 LED 和綠光 LED 的電流、電壓、功率和光通量測量數(shù)據(jù)，以此研究探討 LED 發(fā)光器 件的發(fā)光特性。關(guān)鍵詞： LED V I 特性 PI 特性 光度Measurement of the characteristics and luminosity

2、of LEDSujianbang A8 ID: 08323016School of Science and Engineering of SUN YAT-SEN UniversityPostal code: 510275Abstract: This essay study the optical and electric characteristics of LED by measuring it s V-I curve and P-I curve. In this essay, data of electric current, voltage, power and luminous flu

3、x of LED are recorded in order to study its characteristics.Keyword: LED, V -I characteristic, P-I characteristic, luminosity【實(shí)驗(yàn)原理】LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它屬于固態(tài)光源，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封， 起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用（如圖一）。常規(guī)的發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)如圖二所示，主要分為襯底，外延層（圖2中的N型氮化鎵，鋁鎵銦磷有源區(qū)和 P型氮化鎵），透明接觸層，

4、P型與N型電極、鈍化層幾部分。透明嚇嗎脂展訕芯片 戰(zhàn)號尢栗-市發(fā)射驍站陰褪桿PR權(quán)桿$1筑衆(zhòng)圖1 LED結(jié)構(gòu)圖P単奴叱洱TI源區(qū)N型氮化稼回寶社時底常規(guī)InGaN /藍(lán)寶石LED芯片剖面圖發(fā)光二極管的核心部分是由 p型半導(dǎo)體 和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在 p型半導(dǎo)體和n 型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)?？邕^此p n結(jié)，電子從n型材料擴(kuò)散到p區(qū)， 而空穴則從p型材料擴(kuò)散到 n區(qū)，如右面 的圖3（ a）所示。作為這一相互擴(kuò)散的結(jié)果， 在p n結(jié)處形成了一個高度的eA V的勢壘， 阻止電子和空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡狀態(tài)（見圖3 （b）。當(dāng)外加一足夠高的直流電壓 V，且p型材料 接正極，n型材

5、料接負(fù)極時，電子和空穴將 克服在p n結(jié)處的勢壘，分別流向p區(qū)和n區(qū)。在p n結(jié)處，電子與空穴相遇，復(fù)合, 電子由高能級躍遷到低能級，電子將多余的能量將以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。這就是發(fā)光二極管的發(fā)光原 理。選擇可以改變半導(dǎo)體的能帶隙，從而就可以發(fā)出從紫外到紅外不同波長的光線， 且發(fā)光的強(qiáng)弱與注入電流有關(guān)，+ P 1In+p (a)+ I 1I電場II 電子的電勢能p(b)電子的電勢能圖3、發(fā)光二極管的工作原理2、發(fā)光二極管的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)LED的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。主要 包括（1）體積小（2）耗電量低（3）使用壽命長（4）高亮度、低

6、熱量。（5）環(huán)保（6）堅 固耐用。3、發(fā)光二極管的主要特性（1）光譜分布、峰值波長和光譜輻射帶寬：發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長具有正態(tài)分布的特點(diǎn)，在最大光譜能量（功率）處的波長成為峰值波長。即使有兩個LED勺峰值波長是一樣的，但它們在人眼中引起的色感覺也是可能不同的。光譜輻射帶寬是指光譜輻射功率大于等于最大值一半的波長間隔，它表示發(fā)光管的光譜純度。（2）光通量：LED光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼視覺的那部分，稱為光通量v （單位是流明（Im），是指LED向整個空間在單位時間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量。但要考慮人眼對不同波長的可見光的光靈敏度是不同的，國際照明委員會（CIE）為

7、人眼對不同波長單色光的靈敏度作了總結(jié)，在明視覺條件（亮度為3cd/ m以上）下，歸結(jié)出人眼標(biāo)準(zhǔn)光度觀測者光譜光效率函數(shù) V （ ），它在555nm上有最大值，此時1V輻射通量等于6831m，如圖4 示，其中V（ ）為暗視覺條件（亮度為0.001 cd/m以下）下的光譜光視效率。玻繪圖4明視覺和暗視覺條件下的光譜光效率函數(shù)通常，光通量的測量以明視覺條件作為 測量條件，在測量時為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié) 果，必須把LED發(fā)射的光輻射能量收集起來， 并用合適的探測器 （應(yīng)具有CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀 測者光譜光效率函數(shù)的光譜響應(yīng)）將它線性 地轉(zhuǎn)換成光電流，再通過定標(biāo)確定被測量的 大小。這里可以用積分球來收集光能量

8、，如 圖5積分球又叫光度球，是一個球形空腔， 由內(nèi)壁涂有均勻的白色漫反射層（硫酸鋇或探測器氧化鎂）的球殼組裝而成，被測 LED置于空腔內(nèi)。LED器件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反 射，使整個球壁上的照度均勻分布，可用一置于球壁上的探測器來測量這個與光通量成比例的光的照度?；诜e分球的原理，圖5擋屏的設(shè)計是為了避免 LED光直射到探測器。球和探測器組成的整體要進(jìn)行校準(zhǔn)，同時還要關(guān)注探測器與光譜光視效率V（，）的匹配程度，使之比較符合人眼的觀測效果。（3） 發(fā)光強(qiáng)度：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度取決于p - n結(jié)中輻射型復(fù)合機(jī)率與非輻射型復(fù)合機(jī)率之比，通常是指法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（

9、1/683）W/sr （即一單位立體角度內(nèi)光通量為1 Im）時，則稱其發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉（candela），符號為cd。發(fā)光強(qiáng)度的概念要求光源是一個點(diǎn)光源， 或者要求光源的尺寸和探測器的面積與離光探 測器的距離相比足夠?。ㄟ@種要求被稱為遠(yuǎn)場條件）。但在實(shí)際中往往沒有達(dá)到這樣的要求， 不能嚴(yán)格測出LED的發(fā)光強(qiáng)度。（4）色溫：不同的光源，由于發(fā)光物質(zhì)成份不同，其光譜功率分布有很大差異，一種確定的光譜功率分布顯示為一種相應(yīng)的光色。人們用黑體加熱到不同溫度所發(fā)出的不同光色來表達(dá)一個光源的顏色， 稱作光源的顏色溫度，簡稱色溫。用光源最接近黑體軌跡的顏色來確定該光源的色溫，這樣確定的色溫叫做相關(guān)色溫。（

10、5）發(fā)光效率：光源發(fā)出的光通量除以所消耗的功率（單位是lm/w ）。它是衡量光源節(jié)能的重要指標(biāo)。發(fā)光效率:IfVf其中If , VF分別是發(fā)光二極管的正向電流和正向電壓，V為光通量。（6）顯色性：光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性。也就是顏色的逼真程度。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數(shù)（ra）定為100。（7）正向工作電壓Vf :正向工作電壓是在給定的正向電流 時測得的If下得到的。一般是在If =20mA（8）V I特性：在正向電壓小于閾值時，正 向電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過閾值后，正向電流隨電壓迅速增加。由V I曲線可以得出LED的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正常 情況下

11、常見的GaNLED反向漏電流在Vr = -5V時， 反向漏電流Ir 10Ao（9）P I特性：即LED軸向光強(qiáng)與正向注入 電流關(guān)系特性。由于一個產(chǎn)品中往往要使用許多個LED，各LED的發(fā)光亮度必須相同或成一定可調(diào)穩(wěn)流電壓源圖6 LED V I特性測試電路圖比例后才能呈現(xiàn)均一的外觀，因此我們必須使用恒流源控制好各LED的工作電流，從而使各LED的亮度達(dá)到的一致性。要研究LED工作電流與亮度的關(guān)系，我們就必須測量它的P可調(diào)穩(wěn)流 電流源圖7光闌圖8 LED P I特性測試裝置圖I特性。LED光強(qiáng)的測量是按照光度學(xué)上的距離平方反比定律來實(shí)現(xiàn)的。我們的測量電路及裝置如圖8和9所示。根據(jù) CIE127-1

12、997標(biāo)準(zhǔn)，取LED到探測器端面距離 d = 100mm,探測 器接收面直徑 a= 11.3mm?！緦?shí)驗(yàn)用具】實(shí)驗(yàn)用具：LED （若干種類）、精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（二30cm）、多功能光度計、通用標(biāo)準(zhǔn)光源、光功率計、直尺、萬用表、導(dǎo)線等【實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】（1標(biāo)準(zhǔn)光的供電電流不能超過其標(biāo)定電壓，以免燒壞。為防止標(biāo)準(zhǔn)光源的供電電源開路 電壓過大，在裝燈、卸燈時須將電源的輸出調(diào)至最小，或關(guān)閉。（ 2）標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)光時，燈絲脆弱，受到震動容易斷裂。因此，要求標(biāo)準(zhǔn)光源工作時不能受 到震動，且熄滅后需要等5 分鐘，待標(biāo)準(zhǔn)光源冷卻后再行拆卸。（3）標(biāo)準(zhǔn)光源一般采用恒流式點(diǎn)燃，參數(shù)以電流為準(zhǔn)。（ 4）

13、 LED 安裝時切記清正、負(fù)極，嚴(yán)禁反裝，以免燒壞。（ 5）在進(jìn)行 LEDV-I 特性和 LEDP-I 特性測量時，工作電壓嚴(yán)禁超過4V ，避免燒壞。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟】1搭建發(fā)光二極管的光通量測量系統(tǒng)， 并使用遠(yuǎn)方 D031 標(biāo)準(zhǔn)光源對多功能光度計進(jìn)行定標(biāo)。 校零：a. 將精密穩(wěn)流穩(wěn)壓電源與光度計連接起來，并把Photo - 2000J光度探頭及標(biāo)準(zhǔn)光源正確裝入積分球內(nèi)；b. 關(guān)閉積分球，并確保精密穩(wěn)流穩(wěn)壓電源無電流電壓輸出；c將Photo 2000J光度計后面板上的鑰匙撥至“CAL”即垂直方向；d. 按下Photo 2000J光度計前面板上的校零鍵 “校零/ZERO,數(shù)碼管顯示“zErO

14、” ,再按“校 零/ZERO, “采樣/SAMPLE指示燈與“校零/ZERO指示燈同時亮起，此時儀器處于校零 狀態(tài)，約需1 2分鐘，直到“校零/ZERO指示燈滅，校零完畢。定標(biāo)：e. 打開精密穩(wěn)流穩(wěn)壓電源, 慢慢調(diào)大電流至標(biāo)準(zhǔn)光源的標(biāo)定電流 （如果標(biāo)準(zhǔn)光源產(chǎn)品檢定報 告上所寫的是標(biāo)定電壓,則請調(diào)至標(biāo)定電壓） ,約穩(wěn)定 5 分鐘；f. 按一次Photo 2000J光度計前面板上的定標(biāo)鍵“定標(biāo) /CAL”，數(shù)碼管顯示“ CAL, “定標(biāo) /CAL”指示燈亮起，再按一次“定標(biāo) /CAL”鍵，此時數(shù)碼管閃爍，此時輸入標(biāo)準(zhǔn)光源產(chǎn)品 檢定報告上的標(biāo)定光通量。（可用“”鍵選擇輸入的位置，“人”鍵改變閃爍位置

15、的取值）， 第三次按下“定標(biāo)/CAL ”鍵，此時數(shù)碼管顯示定標(biāo)系數(shù)，第四次按“定標(biāo) /CAL”鍵，此時“定標(biāo)/CAL”指示燈滅，“采樣/EXAMPLE指示燈閃爍，此時數(shù)碼管顯示光通量的標(biāo)定值， 完成定標(biāo)。2 替換標(biāo)準(zhǔn)光源為待測的LED,測量其光通量，計算發(fā)光效率。g. 慢慢將電壓調(diào)至零，標(biāo)準(zhǔn)光源逐漸熄滅，待標(biāo)準(zhǔn)光源冷卻后再將其取出，替換為待測LED（切記：LED長引腳為正極，短引腳為負(fù)極，不可插錯！），并將Photo 2000J光度計后面 板上的鑰匙撥至“ TEST,即水平方向；h. 慢慢增大穩(wěn)流穩(wěn)壓電源的輸出電壓至3.5V，記錄此時的輸出電壓，電流值以及光度計上顯示的光通量，計算 LED此時

16、的發(fā)光效率；i. 更換其余的LED樣品，重復(fù)步驟就。3.測量LED V I特性曲線以及 P I特性曲線。a. 連接測量電路和架設(shè)光路（測量 V-I特性按照圖6,測量P-I特性按照圖8和圖9）,注 意LED正負(fù)不能接反，并把可調(diào)穩(wěn)流電流源的電流檔和電壓壓檔調(diào)到最小；b. 檢查電路，確認(rèn)無誤后打開可調(diào)穩(wěn)流電流源的開關(guān)。適當(dāng)調(diào)大電流源的輸出電流和電壓，讓LED發(fā)光以便調(diào)準(zhǔn)光路，保證 LED在探測器接收圓面的軸線上，與探測器端面距離d=100mrpc .把電流檔和電壓檔調(diào)回零，再緩慢增大輸出電流和輸出電壓，記錄下每一組電流、電壓值及其對應(yīng)的光強(qiáng)，注意電壓值不宜超過3.8V。作出LED V I特性曲線以

17、及P I特d.更換其余的LED樣品，重復(fù)以上步驟步驟?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析】1、V I曲線和P I曲線的測量LED光強(qiáng)的測量是按照光度學(xué)上的距離平方反比定律來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)CIE127-1997標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)中取 LED到探測器端面距離 d= 10cm。同時進(jìn)行的還有 LED的V I曲線的測 量，測量電路圖如圖 4。實(shí)驗(yàn)中，我們分別測量了綠光和紅光兩種LED的V I、P I特性，測得的數(shù)據(jù)如表1所示：表1綠光和紅光LED V-I、P-I特性數(shù)據(jù)綠光LED電流I/mA0.00.00.00.00.01.02.03.04.05.0電壓V/V0.001.491.671.852.032.882.963.

18、053.113.15功率P/mW0.0000.0000.0000.0000.0000.0390.0530.0760.0970.110電流I/mA6.07.08.09.010.011.012.013.014.015.0電壓V/V3.183.203.243.283.313.333.373.393.403.43功率P/mW0.1220.1320.1490.1660.1810.1930.2080.2200.2270.243紅光LED電流I/mA0.00.00.00.00.01.02.03.04.05.0電壓V/V0.000.921.091.191.261.751.781.811.821.83功率P/m

19、W0.0000.0000.0000.0000.0000.0260.0310.0420.0470.050電流I/mA6.07.08.09.011.012.015.016.017.020.0電壓V/V1.841.851.861.871.881.911.921.941.951.96功率P/mW0.0600.0710.0740.0880.0950.1080.1270.1370.1460.164由表1可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓大于某一值時，LED才有明顯的電流反映，原因是LED的PN結(jié)有內(nèi)建電場，在 LED工作時有一定的開啟電壓，而當(dāng)正向電壓小于開啟電壓 時，就不會測量到正向電流；還有一個原因與測量電流的儀器靈敏度

20、有關(guān)，當(dāng)LED有微弱的正向電流時，雖然有實(shí)際的輸入功率，但電流不足以激勵電流計，電流計也就沒有讀數(shù)。由表1數(shù)據(jù)可看到，電壓愈大，發(fā)光愈強(qiáng)。這特性在I V曲線和P I曲線有更直觀的體現(xiàn)。 根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可作得綠光和紅光 LED的I V曲線和P I曲線如下： Till線HV扌旨數(shù)擬合曲線16141210-2 T-050.00.51.0152.0 Z5 3.03.5圖9 綠光LED的lV特性曲線對綠光LED的lV特性曲線作指數(shù)擬合，得到的關(guān)系式是：= 2.4270510_5V / 0 .25661e(mA)，相關(guān)系數(shù)R2=0.99388，比較接近于1,說明IV關(guān)系非常接近指數(shù)增長關(guān)系。由圖9知,綠光

21、LED的閾值電壓大概為 2.88V左右。當(dāng)輸入的正向電壓低于閾值電壓時，電路電流幾 乎為零，同時LED不發(fā)光。當(dāng)輸入電壓超過閾值電壓時，電路的正向電流是劇烈增加的， 增長幾乎是按指數(shù)規(guī)律的。根據(jù)Shockley理論,對于一個散射面積為A的二極管，其電流電壓關(guān)系為：IDp,n , T p,n分別為空穴和電子的擴(kuò)散系數(shù)和壽命，與圖9特性一致。- - -5 O1- 1a a 曲線PT線性擬合鼎線0.06-0.00-20246 S 10121416l/mA圖10綠光LED的Pl特性曲線對綠光 LED的Pl特性曲線作指數(shù)擬合，得P=0.01308+0.01629l(mW)。相關(guān)系數(shù)R=0.99117,非

22、常接近1，說明Pl呈良好的線性關(guān)系。 HVffi 線I-V指數(shù)擬合曲線20-15 10-圖11紅光LED的IV特性曲線對紅光LED的lV特性曲線作指數(shù)擬合，得到的關(guān)系式是:I = 1 .2918710 _ e . (mA ),2相關(guān)系數(shù)R =0.97855,比較接近于1,說明IV關(guān)系比較接近指數(shù)增長關(guān)系。由圖1知,紅光LED的閾值電壓大概為 1.75V左右，比綠光LED的小。由圖11及數(shù)據(jù)分析知，紅光 LED與綠光LED 一樣，當(dāng)輸入的正向電壓低于閾值電壓時，電路電流幾乎為零，同時LED不發(fā)光。當(dāng)輸入電壓超過閾值電壓時，電路的正向電流是劇烈增加的，增長幾乎是按指數(shù)規(guī)律的，lV特性仍然滿足Sho

23、ckley理論關(guān)系式。01B-,0160.14 - PH曲線PT線社擬合曲線012AAEa:0100 080.06-0.04 0.02 -0.00- *0.02101520l/mA圖12 紅光LED的PI特性曲線對紅光 LED的PI特性曲線作指數(shù)擬合，得P=0.00785+0.00815l(mW)。相關(guān)系數(shù)R=0.9929，非常接近1,說明PI呈良好的線性關(guān)系。 與綠光LED的PI數(shù)據(jù)對比可知，在 通入相同電流的條件下，紅光LED的功率比綠光LED的功率小。2、紅綠光LED光通量與功率關(guān)系的測量前文提到過，實(shí)驗(yàn)中，輸入正向電壓比較小的時候，測量得到的電流為零。為方便 分析不同輸入功率下的光通量

24、情況，避免輸入功率為零(此時發(fā)光效率為無窮大，沒有 意義)，以下所取數(shù)值正向電流不為零(紅光 LED的測量數(shù)據(jù)中有一個正向電流為0，實(shí)際作圖分析時舍去此數(shù)據(jù))。表2綠光LED光通量與正向電流、正向電壓關(guān)系正向電流 1/mA1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0正向電壓U/V2.86322.97263.04233.09373.13873.17963.21163.24133.26783.2936功率P/mW2.86325.94529.126912.374815.693519.077622.481225.930429.410232.9360光誦量/Im10.0219.3928

25、.9237.9247.2356.6564.7572.7480.2787.77發(fā)光效 率n-i/(ImW )3.503.263.173.063.012.972.882.812.732.66正向電流 I/mA11.012.013.014.015.016.017.018.019.020.0正向電壓U/V3.31613.33613.35703.37473.39313.40763.42363.43813.45253.4669功率P/mW36.477140.033243.641047.245850.896554.521658.201261.885865.597569.3380光誦量/Im94.57101.

26、41107.89113.90119.99125.48131.14136.26141.44146.69發(fā)光效率n-i /(ImW )2.592.532.472.412.362.302.252.202.162.12注：發(fā)光效率P由表2可知，在不同的輸入功率下，LED發(fā)光效率隨著輸入功率的增加逐漸減小。以下作出n P曲線并分析。圖13綠光LED的n P特性曲線利用Origin的指數(shù)衰減功能擬合綠光LED的n P數(shù)據(jù)得到：P=1.5017- 1.99267exp(-)59.761792相關(guān)系數(shù)R =0.99359，較接近于1,說明實(shí)驗(yàn)所得的n P數(shù)據(jù)較接近于指數(shù)衰減關(guān)系。 所以可以得出結(jié)論，綠光LED

27、發(fā)光效率隨著輸入功率的增加呈現(xiàn)指數(shù)衰減。而引起指數(shù)衰減的原因主要就是LED的熱效應(yīng)，輸入的電功率轉(zhuǎn)化為熱。表3紅光LED光通量與正向電流、正向電壓關(guān)系正向電流 1/mA0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0正向電壓U/V1.63501.66191.68451.69981.71301.72251.73161.74101.74821.7517功率P/mW0.00001.66193.36905.09946.85208.612510.389612.187013.985615.7653光誦量/Im0.140.360.751.131.501.882.192.552.903.28發(fā)光效

28、率n-1 /(lmW )/0.21660.22260.22160.21890.21830.21080.20920.20740.2081正向電流 I/mA10.011.012.013.014.015.016.017.018.019.0正向電壓U/V1.76391.77101.77751.78391.79031.79161.80231.80791.81431.8198功率P/mW17.639019.481021.330023.190725.064226.874028.836830.734332.657434.5762光誦量/Im3.593.944.234.554.935.105.365.605.9

29、06.13發(fā)光效率n-1 /(lmW )0.20350.20220.19830.19620.19670.18980.18590.18220.18070.1773注：發(fā)光效率=P由表3數(shù)據(jù)可知，紅光 LED和綠光LED 一樣，在不同的輸入功率下， LED發(fā)光效率隨著輸入功率的增加逐漸減小。 對比表2和表3的數(shù)據(jù)可知，紅光LED與綠光LED在通入同樣大的正向電流的條件下， 紅光LED的功率比綠光LED的小，光通量也比綠光的小。 在實(shí)驗(yàn)中我們可以直觀地觀察到在相同正向電流下，紅光LED的亮度較小。根據(jù)表 3數(shù)據(jù)作出紅光LED的n P曲線如下圖：0 22-0.21 -0.20-0.19-0.180.1f