終極版-實驗報告(胡家晨)

大學(xué)物理實驗競賽方案報告2011年9月5日競賽課題：測量發(fā)光二極管的物理特性，并以發(fā)光二極管為基本部件，搭建一小型應(yīng)用裝置。競賽題目：發(fā)光二極管的伏安特性測量及其簡單應(yīng)用。小組成員：胡家晨（過程裝備與控制工程）夏亞康（過程裝備與控制工程）曾敏（數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)）摘要：隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)及新材料的發(fā)展，發(fā)光二極管在各種電子產(chǎn)品、辦公自動化設(shè)備、家用電器、儀器儀表、汽車尾燈、交通信號燈及室內(nèi)外信息顯示等方面獲得了極為廣泛的應(yīng)用。近年來，由于高光效、高亮度的白色發(fā)光二極管的成功開發(fā)，使發(fā)光二極管在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，科學(xué)家認(rèn)為，在不久的將來，發(fā)光二極管將會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈，成為一種新型的節(jié)能環(huán)保照明光源。為推動發(fā)光二極管的廣泛應(yīng)用，我們小組在研究了發(fā)光二極管的正向伏安特性的基礎(chǔ)上，搭建一個新型節(jié)能多色環(huán)保手電筒，它避開了傳統(tǒng)的手電筒用干電池、蓄電池等其他的非環(huán)保能源，我們特地采用了電磁感應(yīng)的原理，利用導(dǎo)體切割閉合線圈來產(chǎn)生電流的原理來發(fā)電，以供手電筒照明。同時手電筒的照明也發(fā)生了很大的變化，而不只是原來的白光照明，它可以由不同的按鈕控制來發(fā)出不同顏色的光，分別都會有不同的用途。關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管、伏安特性、新型節(jié)能多色環(huán)保手電筒、電磁感應(yīng)、1、發(fā)光二極管的簡介它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫成LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。發(fā)光二極管的兩根引線中較長的一根為正極，應(yīng)按電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。發(fā)光二極管與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成7段式半導(dǎo)體數(shù)碼管，每個數(shù)碼管可顯示0～9十個數(shù)字。2、發(fā)光二極管的發(fā)光原理發(fā)光二極管是由Ⅲ一V族化合物，如GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的．其核心部分是由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PN結(jié)，在P區(qū)和N區(qū)界面兩側(cè)附近空間的載流子各自向?qū)Ψ綌U(kuò)散，形成耗盡層，并建立起由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場，形成勢壘，阻止多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散．平衡時，擴(kuò)散電流和電場作用下產(chǎn)生的漂移電流達(dá)到動態(tài)平衡．在PN結(jié)上施加正向偏壓時(如圖1所示)，由于外加電壓基本上加在耗盡層上，抵消和減弱了內(nèi)建電場，降低了勢壘高度，因此多數(shù)載流子(如P區(qū)中的空穴，N區(qū)中的電子)就容易通過勢壘進(jìn)入對方而形成少數(shù)載流子，于是在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇復(fù)合，同時會把多余的能量釋放，并以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)化成光能．由于復(fù)合時是在少數(shù)載流子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以發(fā)光僅在靠近PN結(jié)數(shù)“m區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生．電子和空穴的復(fù)合可以在不同的能級間進(jìn)行，而發(fā)射光的波長與半導(dǎo)體材料禁帶寬度有關(guān)，兩者間近似滿足如下關(guān)系：λ=hc/Eg其中λ為發(fā)射光的波長，Eg為禁帶寬度，h為普朗克常量，c為光速,故不同材料制成的發(fā)光二極管相應(yīng)發(fā)出不同顏色的光．目前大量生產(chǎn)的有紅外、紅、黃、綠、白、藍(lán)光等發(fā)光二極管．3、發(fā)光二極管正向伏安特性的研究3．1實驗裝置與測量方法實驗采用FD—Ul—A型非線性元件伏安特性測試儀對發(fā)光二極管進(jìn)行研究，測量電路如圖2所示．根據(jù)發(fā)光二極管標(biāo)定的正常工作電流(一般規(guī)定正常工作電流為20mA)，合適選取限流電阻Rx2的阻值，調(diào)節(jié)Rx1,使分壓電流由小到大，分別讀出電壓表示值Ui,和電流表示值Ii，最后用作圖法求出伏安特性和閾值電壓。3．2伏安特性測量與閾值電壓計算表1是黃光發(fā)光二極管的測量數(shù)據(jù)，用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后可得到其正向伏安特性曲線，如圖3所示.發(fā)光二極管與普通二極管的伏安特性較為相似，當(dāng)加在發(fā)光二極管兩端的電壓小于閾值電壓時，發(fā)光二極管中電流較小或沒有電流流過；當(dāng)電壓一旦超過閾值電壓時，該管中的電流將隨電壓的增大而急劇增大發(fā)光二極管的發(fā)光亮度可以通過工作電流的大小來調(diào)節(jié)，在很寬的工作電流范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的工作電流與工作電壓間近似成線性關(guān)系．因此，發(fā)光二極管的閾值電壓u?？捎善浞蔡匦郧€用外推法求截距的方法而獲得．圖3中，黃光閾值電壓為1．860v。測量不同顏色發(fā)光二極管的正向伏安特性曲線，可分別求得其閾值電壓UD，如表2所示由實驗結(jié)果可以看出，闖值電壓與發(fā)光二極管中的半導(dǎo)體材料有關(guān)，不同的材料其闞值電壓是不同的。4、發(fā)光二極管的巨大應(yīng)用---LED照明LED照明-原理：LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。

假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。

理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即

λ≈1240/Eg（mm）

式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價格很高，使用不普遍。LED照明-前景：當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時代。

中國LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國LED產(chǎn)業(yè)已初步形成了包括LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在“國家半導(dǎo)體照明工程”的推動下，形成了上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚州和石家莊七個國家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地。長三角、珠三角、閩三角以及北方地區(qū)則成為中國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的聚集地。

目前，中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好，外延芯片企業(yè)的發(fā)展尤其迅速、封裝企業(yè)規(guī)模繼續(xù)保持較快增長、照明應(yīng)用取得較大進(jìn)展。2007年中國LED應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)值已超過300億元，已成為LED全彩顯示屏、太陽能LED、景觀照明等應(yīng)用產(chǎn)品世界最大的生產(chǎn)和出口國，新興的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在形成。國內(nèi)在照明領(lǐng)域已經(jīng)形成一定特色，其中戶外照明發(fā)展最快，已有上百家LED路燈企業(yè)并建設(shè)了幾十條示范道路，但國內(nèi)在大尺寸LCD背光和汽車前照燈方面仍顯落后。

2008年北京奧運會對LED照明的集中展示讓人們對LED有了全新的認(rèn)識，有力推動了中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)，核心競爭力仍有待于進(jìn)一步提升。對國內(nèi)企業(yè)而言，壯大規(guī)模、提高產(chǎn)品質(zhì)量與技術(shù)水平是首要任務(wù)，提高未來取得大廠專利授權(quán)時的要價能力，或逐步通過研發(fā)突破核心專利。LED照明-發(fā)展趨勢：LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。近年來，世界上一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家圍繞LED的研制展開了激烈的技術(shù)競賽。美國從2000年起投資5億美元實施“國家半導(dǎo)體照明計劃”，歐盟也在2000年7月宣布啟動類似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下，2003年6月份首次提出發(fā)展半導(dǎo)體照明計劃。LED照明-優(yōu)點：高節(jié)能：節(jié)能能源無污染即為環(huán)保。直流驅(qū)動，超低功耗（單管0.03-0.06瓦）電光功率轉(zhuǎn)換接近100%，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。

壽命長：LED光源有人稱它為長壽燈，意為永不熄滅的燈。固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點，使用壽命可達(dá)6萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。

多變幻：LED光源可利用紅、綠、籃三基色原理，在計算機(jī)技術(shù)控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256×256×256＝16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。

利環(huán)保：環(huán)保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

高新尖：與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品，成功融合了計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等，所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品，是半導(dǎo)體光電器件“高新尖”技術(shù)，具有在線編程，無限升級，靈活多變的特點。5、用發(fā)光二極管搭建的應(yīng)用裝置----新型節(jié)能多色環(huán)保手電筒此手電筒就是通過上下?lián)u動手電筒使導(dǎo)體切割磁感線來產(chǎn)生電流，電流正向流過發(fā)光二極管，使其發(fā)光。另外，通過控制不同的按鈕來控制發(fā)光二極管發(fā)出不同顏色的光。（發(fā)光二極管有二極管的結(jié)構(gòu)，即由pn結(jié)組成。正向偏置時，即電源正極接p端，負(fù)極接n端，由于電勢能的作用（同性相斥異性相吸），位于n區(qū)的電子會往p區(qū)流動，位于p區(qū)的空穴會向n區(qū)流動，它們在相反方向的流動過程中會發(fā)生復(fù)合，復(fù)合可想象為帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子相撞1+（－1）＝0，會有多余的能量以光子的形式往外釋放。光子的能量不同能量