1、LED特性測(cè)量實(shí)驗(yàn) 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解LED的發(fā)光機(jī)理、光學(xué)特性與電學(xué)特性，并掌握其測(cè)試方法。2、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的測(cè)試裝置，并對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行VI特性曲線、PI特性曲線的測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)裝置】：LED(白光和黃綠光)，精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，積分球（30cm），多功能光度計(jì)，光功率計(jì)，直尺，萬(wàn)用表，導(dǎo)線、支架等?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、 發(fā)光二極管的發(fā)光原理發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的芯片。p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體在相互接觸的時(shí)候，由于兩者的功函數(shù)或者說(shuō)是費(fèi)米能級(jí)的不同，p區(qū)中的空穴就會(huì)流向n區(qū)，而n區(qū)中的電子也會(huì)擴(kuò)散到p區(qū)中去，同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)建電勢(shì)差，產(chǎn)生耗盡層，當(dāng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移

2、運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)候pn結(jié)就達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖3所示。pn結(jié)正向偏置的時(shí)候，內(nèi)建電勢(shì)差變小，勢(shì)壘的高度變小，以載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主，電子和空穴就會(huì)更容易克服勢(shì)壘分別流向p區(qū)和n區(qū)。在pn結(jié)耗盡層處，電子和空穴相遇，復(fù)合，電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，電子將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來(lái)，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。這就是發(fā)光二極管的發(fā)光理論。圖3圖42、 發(fā)光二極管的主要特性（1） 光通量LED光源發(fā)射的輻射波長(zhǎng)為的單色光，在人眼觀察方向上的輻射強(qiáng)度和人眼瞳孔對(duì)它所張的立體角的乘積，稱為光通量V（單位是流明lm），具體是指LED向整個(gè)空間在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量。光通量的測(cè)量以明視覺條件作為測(cè)

3、量條件，測(cè)量光通量必須要把LED發(fā)射的光輻射能量收集起來(lái)，可以用積分球來(lái)收集光能。測(cè)量的探測(cè)器應(yīng)具有CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀測(cè)者光譜效率函數(shù)的光譜響應(yīng)。LED器件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，使整個(gè)球壁上的照度均勻分布，可用一置于球壁上的探測(cè)器來(lái)測(cè)量這個(gè)光通量成比例的光的照度。基于實(shí)驗(yàn)室提供的資料，由積分原理，積分球內(nèi)任一沒(méi)有光直接照明的點(diǎn)的光照度為：。其中為光源的光照度，為積分球的半徑，為積分球內(nèi)壁的反射率。所以測(cè)量得到球壁上任一點(diǎn)的光照度就可以求得光源的光通量了。（2） 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度表示在指定方向上光源發(fā)光的強(qiáng)弱。若某個(gè)光源在法線方向上，輻射強(qiáng)度為(1/683)W/sr（即一單位立體角度內(nèi)

4、光通量為1流明時(shí)），則稱其發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(candela)，符號(hào)為cd。 要求光源是一個(gè)點(diǎn)光源，或者要求光源的尺寸和探測(cè)器的面積與離光探測(cè)器的距離相比足夠小(這種要求被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)條件)。一般使用CIE推薦的“平均發(fā)光強(qiáng)度”的概念：照射在離LED一定距離處的光探測(cè)器上的通量，與探測(cè)器構(gòu)成的立體角的比值。CIE對(duì)近場(chǎng)條件下的LED測(cè)量，有兩個(gè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件：CIE標(biāo)準(zhǔn)條件A和B。兩個(gè)條件都要求所用的探測(cè)器有一個(gè)面積為1cm2的圓入射孔徑，LED面向探測(cè)器放置，并且保證LED的機(jī)械軸通過(guò)探測(cè)器的孔徑中心。本實(shí)驗(yàn)中使用的是亮度比較低的LED，所以使用條件B，使LED頂端到探測(cè)器的距離為100mm。（

5、3） 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)。其計(jì)算關(guān)系式定義為: 其中，分別是發(fā)光二極管的正向電流和正向電壓。（4） VI特性由于在耗盡層中的載流子復(fù)合有一定的幾率，在正向電壓小于閾值電壓時(shí)，耗盡層中的載流子很少，復(fù)合幾率也比較低，正向電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)閾值后，正向電流隨電壓迅速增加。由VI曲線可以得出LED的正向電壓，反向電流以及反向電壓等參數(shù)。（5） PI特性PI特性就是LED的軸向光強(qiáng)與正向注入電流關(guān)系特征。我們用光功率計(jì)來(lái)測(cè)量它的PI特性測(cè)試圖如圖2所示。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、開始實(shí)驗(yàn)前先認(rèn)真閱讀精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（3

6、0cm）、多功能光度計(jì)等的使用說(shuō)明和注意事項(xiàng)，熟悉儀器。2、設(shè)置精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源的電壓輸出為0V，連接好積分球和穩(wěn)壓源的導(dǎo)線，將待測(cè)的LED放入積分球內(nèi)，關(guān)好積分球。3、設(shè)置電壓不斷改變電壓的數(shù)值，對(duì)于黃綠光LED直到2.4V為止，對(duì)于白光LED到3.5V為止，記錄每個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)的電流值以及光通量值。得到VI特性曲線和光通量的變化曲線，計(jì)算得到各個(gè)LED的發(fā)光效率。4、如圖2所示將LED從積分球中取出，安裝在支架上，使LED頂端到光功率計(jì)的距離為100mm。在黑暗條件下，在給LED偏置電壓之前，調(diào)節(jié)光功率計(jì)的零點(diǎn)。然后逐漸增加電壓，觀察并記錄電流和光功率的關(guān)系。得到LED的PI特性曲線

7、?！緦?shí)驗(yàn)電路圖】圖1LED VI特性測(cè)試電路圖圖2LED PI特性測(cè)試裝置圖【實(shí)驗(yàn)步驟】1、開始實(shí)驗(yàn)前先認(rèn)真閱讀精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（30cm）、多功能光度計(jì)等的使用說(shuō)明和注意事項(xiàng)，熟悉儀器。2、設(shè)置精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源的電壓輸出為0V，連接好積分球和穩(wěn)壓源的導(dǎo)線，將待測(cè)的LED放入積分球內(nèi)，關(guān)好積分球。3、設(shè)置電壓不斷改變電壓的數(shù)值，記錄每個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)的電流值以及光通量值。得到VI特性曲線和光通量的變化曲線，計(jì)算得到各個(gè)LED的發(fā)光效率。4、將LED從積分球中取出，安裝在支架上，使LED頂端到光功率計(jì)的距離為100mm。在黑暗條件下，在給LED偏置電壓之前，調(diào)節(jié)光功率計(jì)的零點(diǎn)

8、。然后逐漸增加電壓，觀察并記錄電流和光功率的關(guān)系。得到LED的PI特性曲線?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】1. 測(cè)量LED燈光通量，計(jì)算發(fā)光效率 藍(lán)色LED：測(cè)得的電壓、電流、光通量及計(jì)算得的發(fā)光效率如下表所示：電壓/V電流/mA光通量/lm發(fā)光效率2.50111.3002.56221.3002.6241.40.038.2.68581.60.0818.616432.809520.5292.543162.891532.09240.93613.01514.13.82309.01373.076155.44353.69463.13796.37.33370.78693.19967.89.45378.65313.240

9、6910.98376.47353.281510.312.69375.44993.302511.113.67372.90893.343412.715.65368.5723.364313.616.81367.39573.384414.617.93362.86563.405215.619.08359.17923.42616.620.29356.76863.446217.821.53350.9813.466919.122.85345.07343.48720.424.3341.6053.507921.825.76336.85443.528723.227.19332.12883.548924.828.78

10、326.99823.569726.530.48322.20883.589828.232.32319.26553.589828.832.73316.5798由上表可作得電壓與發(fā)光效率的關(guān)系曲線：可見，在一定范圍內(nèi)，發(fā)光效率大致隨電壓的增大而增大。 綠色LED：測(cè)得的電壓、電流、光通量及計(jì)算得的發(fā)光效率如下表所示：電壓/V電流/mA光通量/lm發(fā)光效率2.2827002.385500.112.550201.842.714703.762.77560.55.664078.3972.85831.110.083205.9742.96122.220.433136.0143.0233.229.933093.9

11、883.0844.441.713073.7833.14585.955.833008.0463.18677.366.762869.8043.22858.778.12780.5523.24859.583.982721.2563.269410.390.12675.593.289311.296.172610.4663.310412.2102.642541.4193.331313.4110.132467.1023.351314.4116.532414.6933.372215.6123.482347.2463.392216.8130.152283.7763.413118.1137.162220.243.4

12、3419.5144.372155.9673.45420.9151.442097.8383.47522.4158.732039.1833.49523.9166.181989.4533.515925.9173.671907.1663.536927.7181.321850.733.556829.6188.621791.5823.517731.9197.151756.9013.597734.4205.041656.743由上表可作得電壓與發(fā)光效率的關(guān)系曲線：可見，在一定范圍內(nèi)，發(fā)光效率大致隨電壓的增大而減少。2. 測(cè)量LED V-I特性曲線以及P-I特性曲線 綠色LED：測(cè)得電壓、電流和功率如下表所示

13、：電壓U/V電流I/A功率/mW2.80.00402.90.005030.0070.0013.050.0070.0013.10.0080.0023.150.0090.0033.20.010.0033.250.0120.0043.30.0130.0053.350.0140.0063.40.0160.0073.450.0180.0093.50.0210.013.550.0230.0113.60.0270.0133.650.0310.015由上表可作得LED V-I特性曲線以及P-I特性曲線，如下圖所示：可見，當(dāng)電壓大于2.9v時(shí)，電流與功率大致隨電壓的增大而增大?？梢酝浦?，該LED的導(dǎo)通電壓約為2.9v。 紅色LED：測(cè)得電壓、電流和功率如下表所示：電壓U/V電流I/A功率/mW1.5001.6001.6500.0011.70.0020.0061.750.0070.0131.780.0090.0131.80.0120.0211.820.0150.0241.850.020.0321.870.0230.0321.90.0260.0391.950.0340.04620.0410.052由上表可作得LED V-I特性曲線以及P-I特性曲線，如下圖所示：可見，當(dāng)電壓大于1.6v時(shí)，電流與功率大致隨電壓的增大而