LED的特性测量

LED的特性研究摘要：发光二极管是一种半导体发光器件，本实验主要研究发光二极管的伏安特性、光电转换效率、光谱特性和光强空间分布特性，对发光二极管有个全面的基本认识。

关键词：发光二极管；伏安特性；光谱特性；光电转换效率；半值角Abstract：Light emitting diode,isa luminoussemiconductor. In this experiment, we mainly research the volt-ampere characteristics,electro-optical efficiency,spectral characteristics, and the characteristic of light intensity’s spatial distribution to get a total understanding of light emitting diode.Key words：light emitting diode;volt-ampere characteristics;spectral characteristics;electro-optical efficiency;half-value angle一、引言LED，即Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写，它是一种半导体发光器件，由于其能耗低、寿命长等特点，现多用于照明、显示屏等场合。

本实验要求对LED的电学和光学的特性进行研究。

二、实验原理1.LED的发光原理LED是利用半导体PN结或类似结构把电能装换成光能的的器件，LED芯片通常用Ⅲ-Ⅴ族化合物（如GaAs、GaP或GaN等）材料作衬底，其核心是PN 结。

高纯半导体材料的电阻率很高，如果在里面进行掺杂，就能改变其导电性，例如，在Ⅴ族元素硅中掺杂V族元素砷，就形成导带中具有电子的N型材料：在硅中掺入Ⅲ族元素镓，就能形成价带中有空穴的P型材料：若在硅晶体中一般掺杂砷，另一半掺杂镓，则在两半之间的边界上形成一个PN结。

跨过此PN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，如图1所示。

这种发光也称为注入式发光，这个过程被称为无辐射过程。

图1LED的工作原理为了提高LED的发光效率，应尽量减小产生无辐射复合中心的晶格缺陷和杂质浓度，减少无辐射复合过程。

虽然不同材料制备的LED芯片结构不同，发出的光色和发光情况，但基本原理相近。

LED因其使用的材料不同，其中电子和空穴所占的能级也有所不同，能级的高低差影响电子和空穴复合后光子的能量，从而产生不同波长的光，其大小与半导体材料的禁带宽度有关。

而且两者近似满足关系式：λ≈ℎc E g其中A为发射光的波长，E 为禁带宽度，h为普朗克常量，c为光速．故不同材料制成的发光二极管相应发出不同颜色的光。

图1 LED的工作原理2.LED的基本结构及图形符号：传统的LED的基本结构如图2(a)所示。

LED芯片被固定在导电、导热的带两根引线的金属支架上，有反射杯的引线为阴极，另一根引线为阳极。

芯片外围封以环氧树脂（帽），一方面可以保护芯片，另一方面起聚光作用。

图2 LED及其芯片结构LED芯片是LED器件的核心，其结构如图2（b）所示。

LED芯片为分层结构：芯片两端是金属电极；底部为衬底材料；当中是由P型层和N型层构成的PN结；发光层被夹在P型层和N型层之间，是发光的核心区域。

P型层、N 型层和发光层是利用特殊的外延生长工艺在衬底上制得的。

在芯片工作时，P型层和N型层分别提供发光所需要的空穴和电子，它们被注入到发光层发生复合而产生光。

LED的图形符号如图3 所示图3 LED的图形符号3.发光二极管的电学特性参数LED的电学特征参数主要包括正向电流IF，正向电压VF，反向电流IR和最大反向电压VR，这是衡量一个LED是否能够正常工作的最基本的判据。

从电参数方面来看，正向工作电流是发光二极管正常发光时的正向电流值，LED必须是在P-N结正向偏置的条件下工作，这时的出射光的能量是正向电压V和正向电流I的函数，而且LED的光辐射主要取决于通过P-N结的电流，但LED的P-N结中的过大的电流密度会引起部分过热从而破坏LED管芯的晶格结构，超过最大结温，会造成LED毁损的灾难性的后果，因而必须限制通过LED的驱动电流。

正向工作电压是在给定正向工作电流情况下得到的器件的电压值。

最大反向电压VRm为器件允许加的最大反向电压，超过此值，器件可能被击穿。

4.LED的伏安特性LED是利用半导体材料制成p-n结发光器件，电学特性是衡量LED性能的主要物理量，它包括正向电压、反向饱和电流以及伏安特性等，这些物理量反映了LED的内部结构的变化和质量水平的高低。

图 4 所示为LED工作的电流一电压(I-V)特性曲线图。

发光二极管具有与一般半导体二极管相似的输入伏安特性曲线。

图4 LED伏安特性曲线OA段：正向死区V A为开启LED发光的电压。

红色(黄色)LED的开启电压一般为0．2~0．25V，绿色(蓝色)LED的开启电压一般为0.3～0.35V。

AB段：工作区在这一区段，一般是随着正向电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。

但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压会减小，而正向电流会加大。

如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。

0C段：反向死区发光二极管加反向电压是不发光的(不工作)，但有反向电流。

这个反向电流通常很小，在小于反向击穿电压的范围内，一般在几u A之内。

5.发光二极管的光度量参数对于可见光的辐射通常采用光度学的量来描述，度量辐射能的各个量是仅与客观条件有关的物理量，但光度学的量不仅与客观条件有关，而且还与人的视觉函数有关，也就是说它是一种生物物理量。

LED的最重要的光学参数主要有：辐射通量、光通量、发光强度、亮度、发光效率。

(1)辐射通量在辐射度学上，LED 辐射通量Φe 用来衡量发光二极管在单位时间内发射的总的电磁能量，单位为瓦特(W)。

它通常表示LED 在空间4π度范围内，每秒钟所发出的能量。

实际上，辐射通量就是辐射体的辐射功率。

由于光子能量的大小与波长成反比，紫外光的光量子将会比可见光和红外光的光量子的能量来得更多。

LED 在某个波长发射的辐射通量称为单色辐射通量或光谱辐射通量Φλ，单位是W ／nm ，两者的关系是：Φλ=dΦe (λ)d λ辐射体(LEDs)的总辐射通量，也就是总辐射功率为：Φe = Φe (λ)∞d λ（2）光通量假设某辐射体发出的光是波长为九的单色光，该辐射体单位时间内辐射的能量只，由该量中的能为人眼所感觉的那部分称为光通量F λ，单位为流明（lm ），写作：F λ=KV (λ)P λ总的光通量：F =K V (λ)P (λ)dλ∞其中：V (λ)为视见函数，K=683lm/w ，为视见函数为1的光辐射功率为1W 时对应的光通量流明数。

（3）发光强度发光强度是光度学中的一个最基本的量，定义为光源在指定方向上的一个很小的立体角元d Ω内所包含的光通量d F 值，除以这个立体角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度。

表达式为I V =dFd Ω单位是坎德拉(candela)，符号为cd 。

LED 的发光强度是表征LED 在某个方向的发光强弱，LED 的发光强度随着角度的变化而变化。

（4）亮度亮度是在给定的方向上单位有效截面积在单位立体角内的光通量，写作：B θ=dF其中：d F为立体角内dΩ的光通量，亮度的单位为cd/㎡。

（5）发光效率发光效率是指单位电功率(w)下的输出的光通量(Im)，单位为lm/W，发光效率写作：η0=Fe=FV(λ)式中：P。

(Ⅳ)为输入电功率，，为发光二极管总的光通量。

发光效率是表征光源的节能性。

6.LED的光谱特性LED发出的光并非单一波长，波长分布有的不对称，有的对称，具体取决于LED所使用的材料及其结构等因素，不同LED都有一个相对发光强度最大处，与相对发光强度峰值对应的波长称为峰值波长，如图 5 所示其峰值波长是由所用发光材料的禁带宽度决定的。

两者近似满足λp=ℎc/E g其中E g为禁带宽度。

在谱线两侧存在发光强度等于峰值一半的两个点，这两点之间的宽度叫做光谱半宽度Δλ，此为LED单色相对性参数，表示LED光谱的纯度。

[3] 通常Δλ<40nm，具体Δλ与λp、热力学温度T关系为Δλ=1.25×10−7λp2∙图5 LED相对光强与波长的关系7.LED光强空间分布规律描述LED的光强随角度的分布主要有两个参数：半值角θ1/2和视角θ。

当光强减少至中心值一半时的角度称为半值角θ1/2，2倍半值角称为视角θ。

发光二极管的光能量角度分布示意图如图 6 ，在光轴上的发光强度最强，偏离发光轴，光强便逐渐减弱。

图6 LED的光能量角度分布示意图三、实验装置及过程1.实验仪器直流稳压电源；光功率计（含探头）：量程2mW/200μW；2X21A型电阻箱：编号No.090915，档位10-1~104；电流表：万能表，编号N/S：993591018；电压表：万能表，编号N/S：993538369；分光计编号：（2）；光具座及支架；万能表配套导线4根；发光二极管一支。

2.实验内容与步骤（1）LED伏安特性的研究1）将电阻箱的阻值先调到10999.9Ω，再按图7 连接好电路图；2）将组织调节到999.9Ω，电源电压归零，缓慢增大电源电压，记录此时电流表和电压表的示数，调节时要覆盖各个电流范围，但电流表的示数不可大于10mA；3）作出伏安特性曲线，采用e指数拟合，大电流部分采用直线拟合求出阈值电压。

（2）测量LED 的光功率与计算其光电转换效率1）按图8连接好光路图，将LED 放在通光口中，尽量少地减少漏光，在各个电流点测量光功率P 2，直至超过光功率计的量程；2）在于第一步相同的电流点测量LED 与通光孔相聚10cm 处时的光功率P 1，求得P 1与P 2的比值P 2/P 1；3）从0mA 到10mA 之间测量P 1，并根据比值P 2/P 1可求得其实际的光功率，而电流与电压之积为电功率，则可求得光电转换效率。

（3）研究LED 的光谱特性1）整个过程保持放大倍数为5.0V ，小电流再作调整； 2）用汞灯的已知光谱对光谱仪进行定标；3）用卤素灯的已知分布函数对光谱仪进行谱线实际转换，得到理论值与实测值之间的比值A ；4）电路图依旧按照图 7 连接，调电源电压使得电流接近I 的最大测量值10mA ，校准光路使LED 对准入射狭缝，选择400-650nm 范围进行计算机扫描，要求扫得光功率不能超过计算机量程，即呈现完整波形，保存数据；5）保持距离不变，缓慢减小电源电压，记录此时电流及电压，进行波长扫描，在小电流部分，将放大电压增大为9.1V ，一共测量五组，并且保存数据； 6）对每一组数据进行光谱半强度宽度分析，并且相互进行比较。