实验十一 LED参数的测量和研究

一、实验目的

1.了解LED的原理和基本特性；

2. 测试LED/LD的功率－电流（P-I）特性和电压－电流（V-I）特性，并计算阈值电流.

3. 二、实验内容

1. LED发光二极管的V/I特性测试实验 2. LED发光二极管的P/I特性测试实验

三、实验仪器

多功能光度计， 照度计，LED，万用电表，电流表，计算机，专业软件，直尺 四、实验原理

1、 LED工作原理

LED（Lighy Emitting Diode）又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。

LED大多由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面

发光型LED，其结构示于图1.

图1 LED发光原理

发光二极管所发之光并非单一波长，如图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。

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若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

图2 LED光谱图

2、 LED的V-I特性

LED是半导体光电子器件，其核心部分是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如图3所示。在正向电压正小于某一值时，电流极小，不发光；当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。我们将这一电压称为阈值电压或开门电压。

LED LD

图3 LED的V-I特性曲线 图4 LED的P-I特性曲线 3、 LED/LD的P-I特性

在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因此，LD和LED的功率与电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别，如图4所示。LED的P-I曲线基本上是一条近似的线性直线，只有当电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。

对于半导体激光器来说，当正向注入电流较低时，增益小于0，此时半导体激光器只能发射荧光；随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益大于0，但尚未克服损耗，在腔内无法建立起一定模式的振荡，这种情况被称为超辐射；当注入电流增大到某一数值时，增益克服损耗，半导体激光器输出激光，此时的注入电流值定义为阈值电流Ith 。 由图4可以看出，注入电流较低时，输出功率随注入电流缓慢上升。当注入电流达到并超出

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阈值电流后，输出功率陡峭上升。我们把陡峭部分外延，将延长线和电流轴的交点定义为阈值电流Ith 。只有在工作电流If>Ith部分，P-I曲线才近似一根直线。而在If4. 光学参数

作为照明用光源的LEO，其应被了解的光学性能的项目与其它光源应是一致的，它们主要包括光强、光强(空间)分布、光通量(及发光效率)、光亮度、光谱功率分布、色坐标、显色指数、相关色温等。其中光强、光通量、色坐标、显色指数和色温应是必须提供的指标。 1. 光通量：

是计量光源被人眼所观察时呈现的光功率，光通量的单位为lm（流明）。其表达式：

Kme()V()d

0e（λ）为辐射通量，V(λ)为视觉函数，K=683 lm/W。

2. 光源的发光效率：

CIE（国际照明委员会）定义光源发出的光通量与耗费电功率之比值称之为该光源的发光效率。公式如下，常见光源的发光效率

PKm780380eV()dP

3.发光强度：

发光强度是指光源在指定方向上的单位立体角内发出的光通量，也就是说光源向空间某一方向辐射的光通密度。符号用 I 表示，国际单位是 candela（坎德拉）简写 cd。光强代表了光源在不同方向上的辐射能力。通俗的说发光强度就是光源所发出的光的强弱程度。

Id

d

图5 发光强度示意图 图6 光照度示意图

4光照度E：

在被照物体表面上，单位面积内接受到的光通量称为光照度，它是表征表面被照明程度的量 ，单位是勒克斯（lx）

Ed

dS

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该单位较小，满月夜晚的地面照度约为0.2 lx，白天采光良好的室内照度为100～500 lx，晴朗的室外太阳非直射下的地面照度为103～104 lx，而中午太阳直射下的地面照度可达105 lx .

一般推荐办公室的平均水平照度为500~1000 lx；在商业照明中，推荐的垂直照度平均值为300～500 lx .

对于点光源，若在某一方向上的发光强度为I，那么在该方向上离开光源的距离为r处的照

度E=，即照度与离开光源的距离平方成反比。

5.光亮度：

光亮度（辉度，亮度）： 光源在垂直其辐射传输方向上单位面积单位立体角内发出的光通 量亦或是单位投射面积上的光强度。 光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。其单位为 cd/m2。表达式：

6. 光出射度：

它是指光源上每单位面积向半个空间（2π 球面度）内发出的光通量。光源表面上某一微小面元 dS 向半个空间发出的光通量为 dΦ，则此面元的光出射度为：M=dΦ/dS，M 的单位为 lm/㎡。光出射度在数值上等于通过单位面积所传送的光通量。这里需要指出的是，这里研究的面光源不仅指自身能发光的光源（白炽灯灯丝等），也可以指光源的像或自身并不发光而在受到光照后成为光源的表面。对于后者情况，其光出射度与该表面被照明的程度有关。 7. 辐射通量： 在辐射度学中，辐射通量或辐射功率是对单位时间内通过某一面积的所有电磁辐射（包括红外、紫外和可见光）总功率的度量，既可以指一辐射源发出辐射的功率，也可以指到达某一特定表面的辐射能量的功率。 8. LED相对光谱能量分布P()

发光二极管的相对光谱能量分布P()表示在发光二极管的光辐射波长范围内，各个波长的辐射能量分布情况，通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示。如图2-4所示，表示各个不同颜色LED的相对光谱能量分布曲线。一般而言，LED发出的光辐射，往往由许多不同波长的光所组成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同。LED辐射能量随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——相对光谱能量分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及PN结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。图2-4绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。

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人眼感光 图7 LED光谱分布曲线

其中：

1.蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰p=460～465nm 2.绿色LED，发光谱峰p=550nm 3.红色的LED，发光谱峰p=680～700nm 4.红外LED，发光谱峰p=910nm 5.硅光电二极管

9. LED的峰值波长p和光谱半波宽Δ

LED相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长p和光谱半波宽Δ这两个参数表示。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光辐射最强处，与之相对应有一个波长，此波长为峰值波长，它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定。光谱半波宽Δ定义为相对光谱能量分布曲线上，两个半极大值强度处对应的波长差，如图2-5所示，它标志着光谱纯度，同时也可以用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散度，LED的发光光谱的半宽度一般为30－100nm，光谱宽度窄意味着单色性好，发光颜色鲜明，清晰可见。

图8 光谱半波宽Δ

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五、实验测试方法 1光强的测量

由于LED 形状各异，对其光线追迹发现，LED各个区域发出的光线有不同的聚焦点如图，因此LED不能以点光源来描述，这给发光强度的测量带来困难。

图7 光源测试图 如图所示，点光源光强在空间个方向均匀分布，在不同的距离处用不同接收孔径的探测器接收得到的测试结果都不会改变，但是LED由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化，因此CIE127提出了两种测试条件使得各LED在同一条件下进行光强测试与评价，文件对发光强度测量做以下规定：

远场(条件A)为316 mm,对应的立体角为0.001 Sr;近场(条件B)为100 mm,对应的立体角为0.01 Sr。二者之间可以相互转换,远场测量结果乘以10就得到近场测量结果。

CIE明确规定LED测量距离为从LED的外壳顶端到探测器光灵敏面,而且还规定了探测器光敏面的面积为(10×10)mm2。发光强度测试方法:将LED和标准照度探测器安装在光具座上,使LED的几何中心线与标准探测器表面垂直。分别测量在远场为316 mm和近场为100 mm的照度,然后按照公式IED编制算法,求出远场和近场发光强度。A 和B测量条件并不严格按照光强定义进行测量，因此称为 “平均发光强度”。

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图8 CIE推荐LED平均法向发光强度的测量方法

2.光通量的测量

测量LED总光通量的方法有绝对法和相对法两种。绝对法是测量光源发光强度的空间分布，再由此计算得出LED的总光通。这种方法原则上对任何种类的光源均适用且能达到高准确度，但是测量和计算都较为费时费力。相对法是将被测LED与总光通量己知的标准光源进

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行比较而求得总光通量的方法，常用的测量仪器是积分球。这种方法的测量和计算都简单易行，因而被广泛采用 ，在测量LED光源的光通量时，采用相对法，利用积分球进行测量。其测试原理如图5所示:

图9 光通量测试原理图

光源光通量校零、定标与测试 1、校零

注意：仪表在出厂时已校零，未经厂家许可，不得随意校零！ 每次校零后均需重新定标。 2、定标、测试

图10 光源光通量测试示意图

如图10 所示，光通量测试系统由积分球、光度探测器、光度计三部分组成。光通量的测量采用相对比较的方法，即应先用光通量标准PHOTO-2000灯对整个系统进行定标，再对被测灯进行测量。 五 实验步骤 1. 伏安特性测试

自行设计测试电路，经老师检查后才能进行实验。考虑以大功率 LED 灯为例，LED 接上精密稳压源正负极，调节输出电压记录输出电流。通常情况下，负载电压在 5V 左右时， LED才开始发光，即在 5V 左右才开始有输出电流。此大功率 LED 灯的额定功率在 20W 左右，测试时功率不要超过 25W，并密切注意 LED 灯的发热情况，避免烧坏。由于输出电压旋钮和输出电压旋钮是相互影响的，调节时可适当旋转两个旋钮。另外稳压源有粗调、中调、细调三个档位，注意配合使用。发光二极管的伏安特性测试最高电压不能超过3V。 伏安特性测试，并绘制出发光二极管和大功率LED的伏安特性曲线 次 数 n l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U（V） I（mA） 2.光通量测试

（1）、按图10连接好测试系统.

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（2）、在积分球内按规定方位装上光通量标准灯（要求标准灯与被测光源在几何形状、光谱分布等方面接近，越接近，测试准确度越高）。用电压、电流表监测，慢慢将标准灯的电压或电流由零增加到其标定值。

（3）、打开PHOTO-2000多功能光度计电源，监测标准灯的稳定性。将标准灯点亮约30分钟，稳定后开始定标。将背面开关锁拨至“CAL”位。

（4）、按显示窗口下的“<” 、“>”键使光度计工作于光通量测试状态（“光通量Ф”和“lm”指示灯亮）。按“定标/CAL”键，仪表进入预光通量定标状态，显示窗口显示“CAL”，“定标/CAL”指示灯亮。再按“定标/CAL”键，仪表进入光通量定标状态，窗口显示上一次定标值。用“∧”、“＞”、“”三键设定，使仪表显示值与此时标准光通量值一致。按“定标/CAL”键，仪表将显示出光通量定标系数。记下此光通量定标系数，再按“定标/CAL”键，稍后“定标/CAL”指示灯灭，将背面的开关锁旋回“TEST”位，定标完成。“∧”、“＞”、“”三键的用法见第四章。

（5）、将积分球内的标准灯换成被测光源，使被测光源点亮于额定工作状态，此时光度计窗口所显示的值即为该被测光源的光通量值。注意，定标后，探测器与积分球的相对位置必须固定不动，否则必须重新定标。

次 数 n l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U（V） I(A) φ(lm) 3. 发光强度测试 众所周知，各向同性的点光源发出的光所产生的照度与发光强度Iv成正比，与方向角的余弦（COSφ）成正比，与距离光源的距离平方成反比。

将大功率 LED 灯的工作电压调节在拐点前的直线附近，分别测量照度计探头与LED光源之间的距离为 316mm 和100mm 等处的光照度，然后将遮光罩扣在测试系统上方，使外接环境光不能影响测量结果，测出此时的照度；由于照度计探头垂直于LED的主光线，既COSφ=1，测量出3个已知距离下的照度值不难依据上式计算出光源的发光强度值。 距离（mm） 照度（lx） 光强 100 316

4.光谱分布测试

利用光谱仪测出几种LED 的光谱参数

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