LED特性及光度測(cè)量實(shí)驗(yàn)(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上LED特性及光度測(cè)量實(shí)驗(yàn)摘要：簡(jiǎn)述了LED的發(fā)光原理與特性，并對(duì)綠光、藍(lán)光、白光LED的V-I特性，P-I特性，發(fā)光效率h，以及光強(qiáng)的角度分布等光度學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，探究LED的發(fā)光特性。關(guān)鍵詞：LED，光度測(cè)量一、 實(shí)驗(yàn)原理概述1. LED結(jié)構(gòu)與發(fā)光原理LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它屬于固態(tài)光源，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用（如圖1）。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n

2、結(jié)?？邕^此pn結(jié)，電子從n型材料擴(kuò)散到p區(qū)，而空穴則從p 型材料擴(kuò)散到 n 區(qū)，如右面的圖2（a）所示。作為這一相互擴(kuò)散的結(jié)果，在pn結(jié)處形成了一個(gè)高度的eV的勢(shì)壘，阻止電子和空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，達(dá)到平衡狀態(tài)（見圖2（b）。當(dāng)外加足夠高的直流電壓V，且 p 型材料接正極，n型材料接負(fù)極時(shí)，電子和空穴將克服在pn結(jié)處的勢(shì)壘，分別流向p區(qū)和n區(qū)。在pn結(jié)處，電子與空穴相遇，復(fù)合，電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，電子將多余的能量將以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。這就是發(fā)光二極管的發(fā)光原理。選擇可以改變半導(dǎo)體的能帶 隙，從而就可以發(fā)出從紫外到紅外不同波長(zhǎng)的光線，且發(fā)光的強(qiáng)弱與注入電流有關(guān)。圖 22

3、. 發(fā)光二極管的主要特性a) 光譜分布、峰值波長(zhǎng)和光譜輻射帶寬：發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)具有正態(tài)分布的特點(diǎn)，在最大光譜能量(功率)處的波長(zhǎng)成為峰值波長(zhǎng)。即使有兩個(gè)LED的峰值波長(zhǎng)是一樣的，但它們?cè)谌搜壑幸鸬纳杏X也是可能不同的。光譜輻射帶寬是指光譜輻射功率大于等于最大值一半的波長(zhǎng)間隔，它表示發(fā)光管的光譜純度。b) 光通量：LED光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼視覺的那部分，稱為光通量V（單位是流明（lm），是指LED向整個(gè)空間在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量。但要考慮人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見光的光靈敏度是不同的，國際照明委員會(huì)(CIE)為人眼對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的靈敏度作了總結(jié)

4、，在明視覺條件(亮度為3cd/m2以上)下，歸結(jié)出人眼標(biāo)準(zhǔn)光度觀測(cè)者光譜光效率函數(shù)V ( )，它在555nm上有最大值，此時(shí)1W輻射通量等于683lm，如圖3示，其中V( )為暗視覺條件(亮度為0.001cd/m2以下)下的光譜光視效率。圖 3明視覺和暗視覺條件下的光譜光效率函數(shù)圖 4積分球結(jié)構(gòu)示意圖c) 通常，光通量的測(cè)量以明視覺條件作為測(cè)量條件，在測(cè)量時(shí)為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，必須把LED發(fā)射的光輻射能量收集起來，并用合適的探測(cè)器(應(yīng)具有CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀測(cè)者光譜光效率函數(shù)的光譜響應(yīng))將它線性地轉(zhuǎn)換成光電流，再通過定標(biāo)確定被測(cè)量的大小。這里可以用積分球來收集光能量，如圖4積分球又叫光度球，是

5、一個(gè)球形空腔，由內(nèi)壁涂有均勻的白色漫反射層(硫酸鋇或氧化鎂)的球殼組裝而成，被測(cè)LED置于空腔內(nèi)。LED器件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，使整個(gè)球壁上的照度均勻分布，可用一置于球壁上的探測(cè)器來測(cè)量這個(gè)與光通量成比例的光的照度?；诜e分球的原理，圖4擋屏的設(shè)計(jì)是為了避免LED光直射到探測(cè)器。球和探測(cè)器組成的整體要進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)還要關(guān)注探測(cè)器與光譜光視效率V()的匹配程度，使之比較符合人眼的觀測(cè)效果。d) 發(fā)光強(qiáng)度：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度取決于pn結(jié)中輻射型復(fù)合機(jī)率與非輻射型復(fù)合機(jī)率之比，通常是指法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為(1/683)W/sr（即一單位立體角度內(nèi)光通量為1 l

6、m）時(shí)，則稱其發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(candela)，符號(hào)為cd。發(fā)光強(qiáng)度的概念要求光源是一個(gè)點(diǎn)光源，或者要求光源的尺寸和探測(cè)器的面積與離光探測(cè)器的距離相比足夠小(這種要求被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)條件)。但在實(shí)際中往往沒有達(dá)到這樣的要求，不能嚴(yán)格測(cè)出LED的發(fā)光強(qiáng)度。CIE關(guān)于近場(chǎng)條件下的LED測(cè)量，有兩個(gè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件：CIE標(biāo)準(zhǔn)條件A和B。這兩個(gè)條件都要求，所用的探測(cè)器有一個(gè)面積為1cm2(對(duì)應(yīng)直徑為11.3mm)的圓入射孔徑，LED面向探測(cè)器放置，并且要保證LED的機(jī)械軸通過探測(cè)器的孔徑中心。兩個(gè)條件的主要區(qū)別是在于：LED頂端到探測(cè)器的距離，立體角和平面角(全角)的不同，如表1所示：表格 1 CIE平

7、均LED發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件LED頂端到探測(cè)器的距離d立體角平面角（全角）應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)條件A316mm0.001sr2°窄視角LED標(biāo)準(zhǔn)條件B100mm0.01sr6.5°一般LEDe) 色溫：不同的光源，由于發(fā)光物質(zhì)成份不同，其光譜功率分布有很大差異，一種確定的光譜功率分布顯示為一種相應(yīng)的光色。人們用黑體加熱到不同溫度所發(fā)出的不同光色來表達(dá)一個(gè)光源的顏色，稱作光源的顏色溫度，簡(jiǎn)稱色溫。用光源最接近黑體軌跡的顏色來確定該光源的色溫，這樣確定的色溫叫做相關(guān)色溫。f) 發(fā)光效率：光源發(fā)出的光通量除以所消耗的功率（單位是lm/w）。它是衡量光源節(jié)能的重要指標(biāo)。發(fā)光效率：其中，分別是發(fā)

8、光二極管的正向電流和正向電壓，V為光通量。g) 顯色性：光源對(duì)物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性。也就是顏色的逼真程度。國際照明委員會(huì)CIE把太陽的顯色指數(shù) （ra）定為100。h) 正向工作電壓VF：正向工作電壓是在給定的正向電流IF下得到的。一般是在IF =20mA 時(shí)測(cè)得的.i) VI 特性：在正向電壓小于閾值時(shí)，正向電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過閾值后，正向電流隨電壓迅速增加。由VI 曲線可以得出LED的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正常情況下常見的GaN LED反向漏電流在VR = -5V 時(shí)，反向漏電流 IR <10A。j) PI 特性：即LED軸向光強(qiáng)與正向注入電流關(guān)系特

9、性。由于一個(gè)產(chǎn)品中往往要使用許多個(gè)LED，各LED的發(fā)光亮度必須相同或成一定比例后才能呈現(xiàn)均一的外觀，因此我們必須使用恒流源控制好各LED的工作電流，從而使各LED的亮度達(dá)到的一致性。要研究LED工作電流與亮度的關(guān)系，我們就必須測(cè)量它的PI特性。圖 5 V-I特性測(cè)量電路（左）與P-I特性測(cè)量電路（右）LED光強(qiáng)的測(cè)量是按照光度學(xué)上的距離平方反比定律來實(shí)現(xiàn)的。我們的測(cè)量電路及裝置如圖5所示。根據(jù)CIE127-1997標(biāo)準(zhǔn)，取LED到探測(cè)器端面距離d100mm，探測(cè)器接收面直徑a11.3mm。二、 實(shí)驗(yàn)用具實(shí)驗(yàn)用具：LED（若干種類）、精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（30cm）、多功能光度計(jì)、

10、通用標(biāo)準(zhǔn)光源、光功率計(jì)、直尺、萬用表、導(dǎo)線等三、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 測(cè)量LED發(fā)光穩(wěn)定性。2. 測(cè)量待測(cè)LED的光通量，并計(jì)算其發(fā)光效率。3. 測(cè)量LED的發(fā)光強(qiáng)度，V-I特性曲線以及P-I特性曲線。四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析1. 測(cè)量LED發(fā)光穩(wěn)定性，點(diǎn)亮綠光LED進(jìn)行預(yù)熱，調(diào)節(jié)正向電流為30mA，每2min記錄一次積分球讀數(shù):，數(shù)據(jù)如下表2：表格 2 綠光LED穩(wěn)定性記錄表n12345678910v/lm2.212.212.222.222.222.222.222.222.222.22調(diào)節(jié)正向電流39mA，測(cè)量藍(lán)光LED的發(fā)光穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)如表3：表格 3 藍(lán)光LED穩(wěn)定性記錄表n1234567

11、8910v/lm0.630.630.630.630.630.630.640.640.640.64調(diào)節(jié)正向電流48mA，測(cè)量白光LED發(fā)光穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)記錄如表4表格 4白光LED穩(wěn)定性記錄表n12345678910v/lm5.115.095.095.095.085.085.085.075.075.07從表格2與表格3的數(shù)據(jù)可以看出，綠光LED與藍(lán)光LED分別在30mA和39mA預(yù)熱電流下，發(fā)光穩(wěn)定。兩份數(shù)據(jù)中都出現(xiàn)了一次細(xì)微的上升，這主要是電源在調(diào)節(jié)后一段時(shí)間才穩(wěn)定下來導(dǎo)致的。但從表格4中，可以發(fā)現(xiàn)白光LED在預(yù)熱電流48mA下與前面綠光LED和藍(lán)光LED所表現(xiàn)出來的穩(wěn)定發(fā)光截然不同，白光LED

12、隨著通電時(shí)間增長(zhǎng)，光通量開始降低。這是應(yīng)該是預(yù)熱電流取值較大導(dǎo)致的，電流較大導(dǎo)致器件熱效應(yīng)變大，使得器件溫度上升，而LED發(fā)光效率與溫度是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因此，出現(xiàn)了光通量逐漸減小的現(xiàn)象。2. 測(cè)量綠光，藍(lán)光，白光LED的V-I特性，以及發(fā)光效率。將綠光LED安裝在積分球中，調(diào)節(jié)正向電壓，并記錄正向電流和積分球得到的光通量值。數(shù)據(jù)記錄如下表5：表格 5 綠光LED記錄表U/V0122.52.72.82.913.01I/mA00000013v/lm00000.050.170.380.71P/mW0000002.919.03h/lm/W130.58 78.63 U/V3.063.123.173.22

13、3.263.323.373.4I/mA59131823303744v/lm0.911.181.431.731.982.242.522.73P/mW15.328.0841.2157.9674.9899.6124.69149.6h/lm/W59.48 42.02 34.70 29.85 26.41 22.49 20.21 18.25 *發(fā)光效率h=v/IU從表格5中可以看出，當(dāng)電壓達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，開始出現(xiàn)電流，LED開始工作，圖6為綠光LED的U-I特性曲線。圖 6 綠光LED U-I特性曲線圖6中擬合曲線方程為：I=2.72×10-7×expU0.179-1(mA)根據(jù)理論，

14、在一定簡(jiǎn)化假設(shè)情況下，肖克利方程（Shockley Equation）給出了一般二極管流過PN結(jié)的電流與兩端電流的關(guān)系為iD=IsexpquDkT-1=IsexpuDUT-1式中，q為電子電荷量， q=1.60×10-19C；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T為熱力學(xué)溫度。1可見，擬合出來的曲線與肖克利方程有相同的形式，但是常溫下，肖克利方程給出的UT=26mV，與實(shí)驗(yàn)中得出的179mV差距很大。這是因?yàn)樾た死匠踢m用的是一般二極管，一般二極管只有少量電子空穴復(fù)合，電子空穴主要是充當(dāng)載流子。而發(fā)光二極管中，電子空穴不僅要充當(dāng)載流子更要發(fā)生復(fù)合，對(duì)外輻射光子

15、。因此對(duì)應(yīng)的“溫度電壓當(dāng)量”（暫稱為電壓系數(shù)）會(huì)遠(yuǎn)大于一般二極管對(duì)應(yīng)的溫度電壓當(dāng)量，并且發(fā)光二極管的溫度電壓當(dāng)量取決于發(fā)光波長(zhǎng)以及制作工藝。對(duì)藍(lán)光LED進(jìn)行相同的操作，數(shù)據(jù)記錄如表6表格 6 藍(lán)光LED記錄表U/V02.522.712.812.913.013.063.12I/mA000127912v/lm0000.040.090.170.210.26P/W0002.815.8221.0727.5437.44h6.94 U/V3.163.223.263.313.373.413.463.5I/mA1417212529343943v/lm0.310.360.410.460.520.570.640.6

16、7P/W44.2454.7468.4682.7597.73115.94134.94150.5h7.01 6.58 5.99 5.56 5.32 4.92 4.74 4.45 *發(fā)光效率h=v/IU作出U-I特性曲線如下圖：圖 7 藍(lán)光LED U-I特性曲線圖7中曲線擬合方程為：I=1.56×10-4×expU0.278-1(mA)；相關(guān)系數(shù)R2=0.9868。與綠光LED的U-I特性曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者均符合指數(shù)上升規(guī)律，但藍(lán)光LED對(duì)應(yīng)的電壓系數(shù)要比綠光LED要大。再對(duì)白光LED進(jìn)行同樣分析，數(shù)據(jù)記錄于表7表格 7白光LED數(shù)據(jù)記錄表U/V02.52.62.712.

17、812.913.013.06I/mA00000245v/lm000.030.120.350.671.11.33P/W000005.8212.0415.3h/lm/WU/V3.123.163.223.273.323.373.413.46I/mA89121416202225v/lm2.212.482.783.093.373.66P/W24.9628.4438.6445.7853.1267.475.0286.5h /lm/W65.71 67.16 57.19 54.17 52.33 45.85 44.92 42.31 U/V3.513.563.613.673.723.773.81I/mA283135

18、38414446v/lm3.914.164.364.624.794.965.12P/W98.28110.36126.35139.46152.52165.88175.26h /lm/W39.78 37.69 34.51 33.13 31.41 29.90 29.21 作出U-I特性曲線如下：圖 8 白光LED伏安特性曲線圖8中擬合曲線方程為：I=5.39×10-3×expU0.416-1(mA),相關(guān)系數(shù)R2=0.9664。白光LED與藍(lán)光，綠光LED相似，伏安特性具有指數(shù)上升規(guī)律，但白光LED對(duì)應(yīng)的電壓系數(shù)比藍(lán)光與綠光都要大。綜上，三種顏色的LED，具有類似的伏安特性。原因

19、在于LED（light emitting diode）本質(zhì)上是一種二極管，所以會(huì)具有二極管的伏安特性。而從上面擬合出來的伏安特性曲線可以猜測(cè)，擬合方程中的電壓系數(shù)與發(fā)光波長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)，與發(fā)光效率呈正相關(guān)。下面作出3種LED對(duì)應(yīng)的發(fā)光效率h與電流I的關(guān)系圖，從表中出現(xiàn)光通量不為0，而電流為0的情況可以知道電流表靈敏度較低，應(yīng)用公式計(jì)算發(fā)光效率，在低電流情況下，應(yīng)會(huì)出現(xiàn)較大誤差。因此在作出發(fā)光效率與電流之間的關(guān)系時(shí)，舍去i<10mA的數(shù)據(jù)點(diǎn)。下面作出h-I曲線（圖9）：圖 9 三種LED的h-I曲線從圖9可以清晰看出，白光LED的光效率最大，綠光LED第二，藍(lán)光LED光效最低。圖中分別對(duì)3種L

20、ED的h-I數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)三種LED均存在相關(guān)系數(shù)很高的指數(shù)衰減擬合，三種LED對(duì)應(yīng)的擬合曲線方程如下：綠光LED ：=14.45+40.47×exp-0.053×Ilm/W ，相關(guān)系數(shù)R2=0.9995；藍(lán)光LED ：=3.81+6.67×exp-0.053×Ilm/W ， 相關(guān)系數(shù)R2=0.9960；白光LED ：=18.86+60.65×exp-0.038×Ilm/W ，相關(guān)系數(shù)R2=0.9976；對(duì)于發(fā)光效率h隨電流的增大而呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的特點(diǎn)，仍是LED領(lǐng)域一個(gè)重要的方向，目前關(guān)于它的成因還沒有一個(gè)定論模型，主要認(rèn)為它是

21、由于（1）載流子泄露；（2）空穴注入效率低；（3）Auger復(fù)合等原因造成。2 現(xiàn)階段認(rèn)為載流子泄露機(jī)制在其中起重要作用。但造成載流子泄露的機(jī)制比較復(fù)雜，載流子泄露電流與注入電流之間關(guān)系有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：Jleak=a×Jinjb這是導(dǎo)致發(fā)光效率隨電流增大而呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的現(xiàn)象一個(gè)可能的解釋。3. 測(cè)量三種LED的P-I特性曲線以及光強(qiáng)空間角度分布實(shí)驗(yàn)電路光路如下圖：圖 10 實(shí)驗(yàn)電路光路圖實(shí)驗(yàn)中并沒有采用CIE提供的平均光強(qiáng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件，但實(shí)驗(yàn)主要考察三種LED的P-I關(guān)系的異同，故不采用標(biāo)準(zhǔn)條件影響不大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表格8：表格 8 三種LED平均光強(qiáng)記錄表綠光I/mA01135

22、71115192431P/mW0045109207276352444530616695I/mA374863P/mW762773780藍(lán)光I/mA1244691113181927P/mW61745426689104124157175208I/mA30283438P/mW222228251262白光I/mA1124671011141619P/mW62983159206256314370430484543I/mA21242730333639424650P/mW603656700744795835878914946984分別做的P-I曲線如下：圖 13 白光LED P-I特性曲線圖 12 藍(lán)光LED

23、P-I特性曲線圖 11 綠光LED P-I特性曲線從圖11到13可以定性的觀察到在電流較小的時(shí)候，軸向平均光強(qiáng)與電流接近線性，但隨著電流的繼續(xù)增大，平均光強(qiáng)的增長(zhǎng)開始減緩，到最后幾乎不增長(zhǎng)。這種現(xiàn)象的原因首先是之前所提到的載流子泄露產(chǎn)生漏電流造成的影響，實(shí)際工作電流小于注入電流，而且隨著注入電流的增大，漏電流占的比重也越大。使得發(fā)光效率降低，從而使P-I脫離線性。其次還有電流越大，電子空穴復(fù)合效率越低，最終復(fù)合趨于飽和等原因。最后是LED光強(qiáng)空間角度分布。三種LED數(shù)據(jù)記錄如下表：表格 9 LED光強(qiáng)角度分布表綠光/°475767778185878990P/mW37161062354

24、30544652694/°91939597101105107117137P/mW6896074623381898560100藍(lán)光/°646872767880828486P/mW810132128375586133/°889092949698100102104P/mW18019818214611187412921/°106108110112114116120P/mW19171411865白光/°527276788082848688P/mW163240133150357405576725/°9092949698100102104106P/mW7947887065533842541549050/°110130P/mW3416表中角度是以LED軸向?yàn)?0°進(jìn)行轉(zhuǎn)化的。為了形象分析，將上表數(shù)據(jù)在極坐標(biāo)上，角度為極角，光強(qiáng)為極徑作圖得：圖 14 綠光LED光強(qiáng)角度分布圖圖 15 綠光LED光強(qiáng)角度分布圖圖16 白光LED光強(qiáng)角度分布圖從上面三幅圖可以形象的看出，樣品LED封裝時(shí)設(shè)有反射腔，光強(qiáng)只集中在軸向范圍的一個(gè)小角度里，全角大概為20°。另外可以看出白光LED軸向附近的曲線比較飽滿，這可能是由于白光LED使用了熒光粉，而熒光粉發(fā)光方向不一致，封裝后的反射腔不能很好的