光信息专业实验报告：LED特性测量实验.docVIP

PAGE PAGE 1 光信息专业实验报告：：LED特性测量实验 一．实验目的 1．了解发光二极管的发光机理、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。 二．实验用具 实验用具：LED（若干种类）、精密数显直流稳流稳压电源、积分球（Φ＝30cm）、多功能光度计、通用标准光源、光功 三．实验原理 LED结构如下图1所示： 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。常规的发光二极管芯片的结构如图二所示，主要分为衬底，外延层（图2中的N型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层，P型与N型电极、钝化层几部分。钝化层的作用是保护透明接触层。 P型电极 P型 电极 N型 电极 图2、常规InGaN / 蓝宝石LED芯片剖面图 图3、InGaN LED芯片俯视图 在p型半导体和n型半导体之间存在一个过渡层，称为p－n结。跨过此p－n结，电子从n型材料扩散到p区，而空穴则从p型材料扩散到n区，如右面的图4（a）所示。作为这一相互扩散的结果，在p－n结处形成了一个高度的eΔV的势垒，阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图4（b））。 图4 发光二极管的工作原理电子和空穴扩散；形成势垒；电子和空穴复合发光当外加一足够高的直流电压V，且 p 型材料接正极， n型材料接负极时，电子和空穴将克服在p－n结处的势垒，分别流向 p 区和 n 区。在p－n结处，电子与空穴相遇，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量将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原理。（见图2.1.2（c 图4 发光二极管的工作原理 电子和空穴扩散； 形成势垒； 电子和空穴复合发光 n p 电场 eΔV p n n p δ hν hν eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) eq \o\ac(○,－) ＋ ＋ ＋ － － － （a） （b） （c） 电子的电势能 电子的电势能 δ’ 图4 发光二极管的工作原理 电子和空穴扩散； 形成势垒； 电子和空穴复合发光 外不同波长的光线，且发光的强弱与注入电流有关。例如，由目前流行的第三代半导体材料——GaN所制成的LED光谱分布很宽，可以从紫外的380nm，到蓝色的465nm，直至翠绿色的525nm。 发光二极管的主要特性 光通量：LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量ΦV（单位是流明（lm）），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。但要考虑人眼对不同波长的可见光的光灵敏度是不同的，国际照明委员会(CIE)为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件(亮度为3cd/m2以上)下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V ()，它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图5所示，其中V’()为暗视觉条件(亮度为0.001cd/m2以下)下的光谱光视效率。例如一个100 W的灯泡可产生1500lm，一支40 W的日光灯可产生3500lm的光通量。 通常，光通量的测量以明视觉条件作为测量条件，在测量时为了得到准确的测量结果，必须把LED发射的光辐射能量收集起来，并用合适的探测器(应具有CIE标准光度观测者光谱光效率函数的光谱响应)将它线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。这里可以用积分球来收集光能量，如图6。积分球又叫光度球，是一个球形空腔，由内壁涂有均匀的白色漫反射层(硫酸钡或氧化镁)的球壳组装而成，被测LED置于空腔内。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与光通量成比例的光的照度。基于积分球的原理，图6中挡屏的设计是为了避免LED光直射到探测器。球和探测器组成的整体要进行校准，同时还要关注探测器与光谱光视效率V()的匹配程度，使之比较符合人眼的观测效果。 探测 探 测 器 被测LED 档屏 图6 积分球结构示意图 图5明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 发光强度：发光二极管的发光强度取决于p－n结中辐射型复合机率与非辐射型复合机率之比，通常是指法线方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr（即一单位立体角度内