LED特性测量实验

【实验目的】

1、了解LED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。

【实验装置】：

LED(白光和黄绿光)，精密数显直流稳流稳压电源，积分球（Φ＝30cm），多功能光度计，光功率计，直尺，万用表，导线、支架等。

【实验原理】

1、 发光二极管的发光原理

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片。p型半导体和n型半导体在相互接触的时候，由于两者的功函数或者说是费米能级的不同，p区中的空穴就会流向n区，而n区中的电子也会扩散到p区中去，同时产生内建电势差，产生耗尽层，当载流子的扩散运动和漂移运动平衡时候pn结就达到平衡状态，如图3所示。pn结正向偏置的时候，内建电势差变小，势垒的高度变小，以载流子的扩散运动为主，电子和空穴就会更容易克服势垒分别流向p区和n区。在p－n结耗尽层处，电子和空穴相遇，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。这就是发光二极管的发光理论。

图3 图4

2、 发光二极管的主要特性

（1） 光通量

LED光源发射的辐射波长为λ的单色光，在人眼观察方向上的辐射强度和人眼瞳孔对它所张的立体角的乘积，称为光通量ΦV（单位是流明lm），具体是指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。

光通量的测量以明视觉条件作为测量条件，测量光通量必须要把LED发射的光辐射能量收集起来，可以用积分球来收集光能。测量的探测器应具有CIE标准光度观测者光谱效率函数的光谱响应。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光通量成比例的光的照度。基于实验室提供的资料，由积分原理，积分球内任一没有光直接照明的点的光照度为：word/media/image3.gif。其中word/media/image4.gif为光源的光照度，word/media/image5.gif为积分球的半径，word/media/image6.gif为积分球内壁的反射率。所以测量得到球壁上任一点的光照度就可以求得光源的光通量了。

（2） 发光强度

发光强度表示在指定方向上光源发光的强弱。若某个光源在法线方向上，辐射强度为(1/683)W/sr（即一单位立体角度内光通量为1流明时），则称其发光强度为1坎德拉(candela)，符号为cd。

要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)。一般使用CIE推荐的“平均发光强度”的概念：照射在离LED一定距离处的光探测器上的通量，与探测器构成的立体角的比值。

CIE对近场条件下的LED测量，有两个推荐的标准条件：CIE标准条件A和B。两个条件都要求所用的探测器有一个面积为1cm2的圆入射孔径，LED面向探测器放置，并且保证LED的机械轴通过探测器的孔径中心。本实验中使用的是亮度比较低的LED，所以使用条件B，使LED顶端到探测器的距离为100mm。

（3） 发光效率

光源发出的光通量除以所消耗的功率（单位是lm/w）。它是衡量光源节能的重要指标。其计算关系式定义为: word/media/image7.gif　其中word/media/image8.gif，word/media/image9.gif分别是发光二极管的正向电流和正向电压。

（4） V－I特性

由于在耗尽层中的载流子复合有一定的几率，在正向电压小于阈值电压时，耗尽层中的载流子很少，复合几率也比较低，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，反向电流以及反向电压等参数。

（5） P－I特性

P－I特性就是LED的轴向光强与正向注入电流关系特征。我们用光功率计来测量它的P－I特性测试图如图2所示。

五、实验步骤

1、开始实验前先认真阅读精密数显直流稳流稳压电源、积分球（Φ＝30cm）、多功能光度计等的使用说明和注意事项，熟悉仪器。

2、设置精密数显直流稳流稳压电源的电压输出为0V，连接好积分球和稳压源的导线，将待测的LED放入积分球内，关好积分球。

3、设置电压不断改变电压的数值，对于黄绿光LED直到2.4V为止，对于白光LED到3.5V为止，记录每个电压值对应的电流值以及光通量值。得到V－I特性曲线和光通量的变化曲线，计算得到各个LED的发光效率。

4、如图2所示将LED从积分球中取出，安装在支架上，使LED顶端到光功率计的距离为100mm。在黑暗条件下，在给LED偏置电压之前，调节光功率计的零点。然后逐渐增加电压，观察并记录电流和光功率的关系。得到LED的P－I特性曲线。

【实验电路图】

word/media/image10.gif

图1　　LED V－I特性测试电路图

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图2　　LED P－I特性测试装置图

【实验步骤】

1、开始实验前先认真阅读精密数显直流稳流稳压电源、积分球（Φ＝30cm）、多功能光度计等的使用说明和注意事项，熟悉仪器。

2、设置精密数显直流稳流稳压电源的电压输出为0V，连接好积分球和稳压源的导线，将待测的LED放入积分球内，关好积分球。

3、设置电压不断改变电压的数值，记录每个电压值对应的电流值以及光通量值。得到V－I特性曲线和光通量的变化曲线，计算得到各个LED的发光效率。

4、将LED从积分球中取出，安装在支架上，使LED顶端到光功率计的距离为100mm。在黑暗条件下，在给LED偏置电压之前，调节光功率计的零点。然后逐渐增加电压，观察并记录电流和光功率的关系。得到LED的P－I特性曲线。

【实验数据处理】

1. 测量LED灯光通量，计算发光效率

1 蓝色LED：

测得的电压、电流、光通量及计算得的发光效率如下表所示：

由上表可作得电压与发光效率的关系曲线：

可见，在一定范围内，发光效率大致随电压的增大而增大。

2 绿色LED：

测得的电压、电流、光通量及计算得的发光效率如下表所示：

由上表可作得电压与发光效率的关系曲线：

可见，在一定范围内，发光效率大致随电压的增大而减少。

2. 测量LED V-I特性曲线以及P-I特性曲线

1 绿色LED：

测得电压、电流和功率如下表所示：

由上表可作得LED V-I特性曲线以及P-I特性曲线，如下图所示：

可见，当电压大于2.9v时，电流与功率大致随电压的增大而增大。可以推知，该LED的导通电压约为2.9v。

2 红色LED：

测得电压、电流和功率如下表所示：

由上表可作得LED V-I特性曲线以及P-I特性曲线，如下图所示：

可见，当电压大于1.6v时，电流与功率大致随电压的增大而增大。可以推知，该LED的导通电压约为1.6v。

【思考题】

1、 为什么LED的发光强度的测量值（cd）不能转换成光通量（lm）？

答：因为发光强度和光通量的关系为word/media/image16.gif，发光强度是指定方向上光源发光的强弱。现在的情况是测出来的也不完全是LED的发光强度的测量值，对于它的球面角也无法准确测量，所以不能直接转换成光通量。

2、 有哪些方法可以提高LED的发光强度？

由word/media/image16.gif可以知道，提高LED的输出功率，减小LED的输出角度等，可以提高LED的发光强度。