光信息专业实验报告：LED特性测量.docVIP

PAGE PAGE 1 光信息专业实验报告：LED特性测量 【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。 【实验仪器】 LED（红、绿各一）、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、导线等。 【实验原理】 1、LED结构与工作原理 LED英文全称 Light Emitting Diode，是一种固体发光器件。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。其结构见图1. 2、LED的基本发光原理??????LED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。进入对方欧域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2所示。 图1 LED组成结构 图2 LED工作原理 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所在光仅在靠近PN结面数?m以内产生。 3、LED的主要特性 （1）光通量：点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者（人能感觉出来的辐射通量）即称为光通量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 ( λ )，它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图3所示。 图3 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 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4。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。 图4 积分球结构示意图 （2）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光通量为1 lm）时，则称其发光强度为1坎德拉(candela)，符号为cd。由于早期LED的发光强度小，所以发光强度也常用毫坎德拉（mcd）作单位。发光强度的概念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)。但是在LED测量的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是LED与探测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，从而严格地说并不能测量得到真正的LED的发光强度。 为了解决这个问题，使测量结果可通用比较，CIE推荐使用“平均发光强度概念:照射在离LED一定距离处的光探测器上的通量,与由探测器构成的立体角的比值。其中立体角可将探测器的面积 S 除以测量距离 d 的平方计算得到。测试条件见表一。 实际应用中，用得较多的是条件B，它适用于大多数低亮度的LED光源，高亮度且发射角很小的LED光源应使用条件A。 （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。测得发光二极管的光通量后，就可以进一步经计算获得LED器件的发光效率。其计算关系式定义为: （4）V－I 特性：在正向电压小于阈值时，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