LED特性測量要點(diǎn)

1、LED特性測量實(shí)驗(yàn)者：林巧玲（11343046）合作者：洪藝江（12342020）組別：A14物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)時間：2015.05.27上午8:20實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：物理樓一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理、光學(xué)特性與電學(xué)特性，并掌握其測試方法。2設(shè)計簡單的測試裝置，并對發(fā)光二極管進(jìn)行V I特性曲線、P I特性曲線的測量。二、實(shí)驗(yàn)原理LED （light emitting diode ）即發(fā)光二極管，它屬于固態(tài)光源。1發(fā)光二極管的基本原理發(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。當(dāng)外加一足夠高的正向偏壓V時，電子和空穴將克服在 pn結(jié)處的勢壘相遇、復(fù)合

2、，電子由高能級躍遷到低能 級，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。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的光線，且發(fā)光的強(qiáng)弱與注入電流有關(guān)。2發(fā)光二極管的主要特性（1）光譜分布、峰值波長和光譜輻射帶寬：發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長具有正態(tài)分布的特點(diǎn)，在最大光譜能量（功率）處的波長成為峰值波長。即使有兩個LED的峰值波長是一樣的，但它們在人眼中引起的色感覺也是可能不同的。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間隔，它表示發(fā)光管的光譜純度。（2） 光通量：LED向整個空間在單位時間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量V （單位

3、是流明lm）。國際照明委員會（CIE）為人眼對不同波長單色光的靈敏度作了總結(jié)，在明視覺探測器條件（亮度為3cd/m2以上）,歸結(jié)出人眼標(biāo)準(zhǔn)光 度觀測者光譜光效率函數(shù) V （ ）,它在555nm 上有最大值，此時 1W輻射通量等于683lm。通常，光通量的測量以明視覺條件作為測 量條件，可以用積分球來把LED發(fā)射的光輻射能量收集起來，并用合適的探測器將它線性 地轉(zhuǎn)換成光電流，再通過定標(biāo)確定被測量的大小。第1頁/共12頁積分球又叫光度球(如圖1)是一個球形空腔，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，使整個球

4、壁上的照度均勻分布，可用一置于球壁上的探測器來測量這個與光通量成比例的光的照度。擋屏的設(shè)計是為了避免LED光直射到探測器。球和探測器組成的整體要進(jìn)行校準(zhǔn)，同時還要關(guān)注探測器與光譜光視效率V( )的匹配程度，使之比較符合人眼的觀測效果。(3) 發(fā)光強(qiáng)度：取決于p-n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。 要求光源是一個點(diǎn)光源，或者滿足遠(yuǎn)場條件， 實(shí)際中往往沒有達(dá)到這樣的要求，不能嚴(yán)格測出 LED的發(fā)光強(qiáng)度。(4) 色溫：用黑體加熱到不同溫度所發(fā)出的不同光色來表達(dá)一個光源的顏色，稱作光源的 顏色溫度，簡稱色溫。(5) 發(fā)光效率：光源發(fā)出的光通量除以所消耗的功率v

5、(單位是lm/w )。它是衡量光源節(jié)能的重要指標(biāo)。其中 lF, VF分別是發(fā)光二極管的正向電流和正向電壓，v為光通量。(6)顯色性：光源對物體本身顏色呈現(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CIE把太陽的顯色指數(shù)(ra)定為100。(7)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時測得的。(8) V I特性：滿足Shockley方程:n2NaIeV!ekT在正向電壓小于閾值時，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V I曲線可以得出LED的正向電壓,GaN LED反向漏電流在 Vr = -5V時，反反向

6、電流及反向電壓等參數(shù)。正常情況下常見的向漏電流Ir <10 A。(9) P I特性：即LED軸向光強(qiáng)與正向注入電流關(guān)系特性。LED光強(qiáng)的測量是按照光度學(xué)上的距離平方反比定律來實(shí)現(xiàn)的。測量電路及裝置如圖3和4所示。根據(jù) CIE127-1997標(biāo)準(zhǔn)，取LED到探測器端面距離 d = 100mm，探測器接收面直徑 a= 11.3mm。第8頁/共12頁可調(diào)穩(wěn)流 電流源光闌圖4.LED P I特性測試裝置圖三、實(shí)驗(yàn)儀器LED (若干種類)、精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源LPS-305、積分球(=30cm)、智能型多功能光度計 Photo 2000J、通用標(biāo)準(zhǔn)光源、光功率計、直尺、

7、萬 用表、導(dǎo)線等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測量LED光強(qiáng)空間分布(1) 連接實(shí)驗(yàn)電路，插入 LED樣品(綠光和紅光)注意正負(fù)極，取下光功率計探頭軟蓋；打開數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源LPS-305，設(shè)定電壓為2.5V ;(3) 打開帶衰減器的光功率計，按下“CAL”，用指甲旋轉(zhuǎn)“CAL ADJ設(shè)置校準(zhǔn)因子(綠光設(shè)置4.16,紅光設(shè)置3.74),按下“CAL'彈出；(4) 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室大燈，使處于黑暗環(huán)境。轉(zhuǎn)動“ ZERO旋鈕調(diào)零；按下電源 輸出開/關(guān)”，選擇合適量程(由于功率較低，選擇“ 20W)；(6) 旋轉(zhuǎn)探頭，觀察光功率計讀數(shù)，找到光強(qiáng)最大處，記錄此時角度。由此分別往左右以2為步

8、長旋轉(zhuǎn)探頭角度，記錄光功率計讀數(shù)，直到光強(qiáng)較弱。(7) 重復(fù)以上步驟測量不同的LED樣品。2. 測量LED發(fā)光效率(1)打開積分球，插入 LED樣品(綠光、紅光和黃光)注意正負(fù)極，關(guān)閉積分球；打開精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源和多功能光度計，按下光度計的校零/ZERO”，顯示“ zErO,”再按一次 校零/ZERO” ,采樣/SAMPLE”指示燈與 校零/ZERO”指示燈同時亮起， 此時儀器處于校零狀態(tài)，約需1 2分鐘，直到 校零/ZERO指示燈滅，校零完畢；按下電源的“ ADJUST ”選擇合適步長，從零開始轉(zhuǎn)動電流、電壓調(diào)節(jié)旋鈕(“穩(wěn)流”亮 時可調(diào)電流，“穩(wěn)壓”亮?xí)r可調(diào)電壓)，慢慢增大輸出電壓至

9、2.5V左右，記錄此過程的輸出電流、電壓值以及光通量；(4)重復(fù)以上步驟測量不同的LED樣品。3. 測量LED的V-I曲線和P-I曲線(1) 連接測量電路和架設(shè)光路(測量V-I特性按照圖6,測量P-I特性按照圖8和圖9)，注意LED正負(fù)不能接反，并把可調(diào)穩(wěn)流電流源的電流檔和電壓壓檔調(diào)到最??；(2) 檢查電路，確認(rèn)無誤后打開可調(diào)穩(wěn)流電流源的開關(guān)。適當(dāng)調(diào)大電流源的輸出電流和電壓，讓LED發(fā)光以便調(diào)準(zhǔn)光路，保證LED在探測器接收圓面的軸線上，與探測器端面距離d =100mm;(3) 把電流檔和電壓檔調(diào)回零，再緩慢增大輸出電流和輸出電壓，記錄下每一組電流、電壓值及其對應(yīng)的光強(qiáng)，注意電壓值不宜超過2.5

10、V。作出LED V I特性曲線以及P I特(4) 重復(fù)以上步驟測量不同的LED樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.測量LED光強(qiáng)空間分布樣品為綠光LED時，其在162°時光功率達(dá)到最大值 1.28叮；樣品為紅光LED時，其 在160°時光功率達(dá)到最大值2.6叮。分別以達(dá)到最大光功率時的角度為零點(diǎn)，則探頭向左旋轉(zhuǎn)(角度增大)為正，向右旋轉(zhuǎn)(角度減小)為負(fù)，記錄數(shù)據(jù)于表1。表1綠光和紅光LED光功率和角度的關(guān)系角度（）-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20光強(qiáng)綠光-0e040.080.250.380.550.740.921.071.191.231.2

11、8(卩W)紅光0.390.480.540.630.廠-0a78 ft off薩B.031.171.371.551.731.992.192.532.6Data: Data2_BModel: Gauss1 8quatio20二y0 + 2/2w*sqrt(P42)*eXp(?2*(x-X2)?/W)A2) 30 Weight ing:0.28 0l13eig0n09 0.04-1.37iA2/Do23 =10195151.09 1.02 0.99 0.96)wPTPO.0.5 -RA2=0.96437y00.59777±0.07201xc2.80677±0.35624w22.3

12、6464±1.29818A53.35337±4.38420.0 J-3o-20-1o010 2o Green Gauss fit of Data1_B1.4Angle( °1.2_1.0-Data: Data1_BModel: GaussEquatio n: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-xc)/w)A2)Weight ing:yNo weight ingy0-0.1089 ±0.04272xc0.63011±0.13114w20.68323±0.74011A36.19502±2.177

13、46ChiA2/DoF = 0.0014RA2= 0.99394-30-20-10 0 101i2030Angle( °利用表1數(shù)據(jù)作圖（直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)系），并對直角坐標(biāo)系下的曲線進(jìn)行高斯擬合, 如圖5、圖6和圖7。圖5.綠光LED光功率空間分布圖（直角坐標(biāo)）圖6.紅光LED光功率空間分布圖（直角坐標(biāo)）角度 ( °)-30-28-26-24-22光強(qiáng) 綠光-（卩W）紅光0.390.480.540.630.72.5角度 ( °)2468102.0光）強(qiáng) 綠光1.261.21.070.980.8（£ W）紅光sn2.582.492.42.222teIn 1

14、.00.5-240.0aussG41-61-8fit o0fD.9ata2_1B.03 1.17-8-29117129 a a55a1.37 1.551.73 1.99 2.193212.53Data: Data2_BModel: Gauss14161 8quatio20二yO + (A(w*sqr't(P42)*eXp(-2*(x-X2)?/W)A2) 30Weighting:0.490.40.2y8 0N.o1 w3eigh0ti.n0g9 0.04-1.621.481.3C7hiA2/D1o.F23 =10.10198151.091.020.990.96RA2= 0.96437y

15、00.59777±0.07201xc2.80677±0.35624w22.36464±1.29818A53.35337±4.38428212.6第 5 頁/共 12 頁0.0-30-20-1001020Gre3e0nGauss fit of Data1_B1.4Angle( °)Data: Data1_BModel: GaussEquation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(x-xc)/w)A2) Weighting:y No weightingWn(ytisnetn6400y0-0.1089 ±0

16、.04272xc0.63011±0.13114w20.68323±0.74011A36.19502±2.17746ChiA2/DoF = 0.0014RA2 = 0.99394-30-20-100102030Angle（ °）利用表 1 數(shù)據(jù)作圖（直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)系），并對直角坐標(biāo)系下的曲線進(jìn)行高斯擬合， 如圖 5、圖 6 和圖 7。圖 5.綠光 LED 光功率空間分布圖（直角坐標(biāo)）圖 6.紅光 LED 光功率空間分布圖（直角坐標(biāo)）角度 ( °)-30-28-26-24-22光強(qiáng) 綠光-（卩W）紅光0.390.480.540.630.72.5角

17、度 ( °)2468102.0光）強(qiáng) 綠光1.261.21.070.980.8（£ W）紅光sn2.582.492.42.222teIn 1.00.5-240.0aussG41-61-8fit o0fD.9ata2_1B.03 1.17-8-29117129 a a55a1.37 1.551.73 1.99 2.193212.53Data: Data2_BModel: Gauss14161 8quatio20二yO + (A(w*sqr't(P42)*eXp(-2*(x-X2)?/W)A2) 30Weighting:0.490.40.2y8 0N.o1 w3eigh

18、0ti.n0g9 0.04-1.621.481.3C7hiA2/D1o.F23 =10.10198151.091.020.990.96RA2= 0.96437y00.59777±0.07201xc2.80677±0.35624w22.36464±1.29818A53.35337±4.38428212.60.0-30-20-1001020Gre3e0nGauss fit of Data1_B1.4Angle( °)Data: Data1_BModel: GaussEquation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)*exp(-2*(

19、x-xc)/w)A2) Weighting:y No weightingWn(ytisnetn6400y0-0.1089 ±0.04272xc0.63011±0.13114w20.68323±0.74011A36.19502±2.17746ChiA2/DoF = 0.0014RA2 = 0.99394-30-20-100102030Angle（ °）利用表 1 數(shù)據(jù)作圖（直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)系），并對直角坐標(biāo)系下的曲線進(jìn)行高斯擬合， 如圖 5、圖 6 和圖 7。圖 5.綠光 LED 光功率空間分布圖（直角坐標(biāo)）圖 6.紅光 LED 光功率空間分布圖

20、（直角坐標(biāo)）第19頁/共12頁圖7.發(fā)光效率圖分析：由圖7可知，在過了某一電壓值后，LED的發(fā)光效率急劇上升，達(dá)到最大值后緩慢下降，這是由LED的熱效應(yīng)導(dǎo)致的，輸入的電功率轉(zhuǎn)化為熱能，使發(fā)光效率降低。發(fā)光效率：綠光LED 黃光LED 紅光LED。其中綠光LED發(fā)光效率要大大高于黃光 與紅光，所以綠光 LED節(jié)能性能較好。這并不與上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相沖突一一相同的正向偏壓 2.5V下，紅光LED的光功率大于IfVf綠光LED的光功率。這是由于發(fā)光效率指光源發(fā)出的光通量除以所消耗的功率與輻射功率不同，光通量體現(xiàn)的是人眼感受到的功率，是用來表示輻射功率經(jīng)過人眼的視見函數(shù)影響后的光譜輻射功率大小的物理量。

21、對大量具有正常視力的觀察者所做的實(shí)驗(yàn)表明， 在較明亮環(huán)境中人的視覺對波長為555.0nm左右的綠色光最敏感，這種人眼對各波長光譜敏感程度不同的性質(zhì)可以由視見函數(shù)V（入表示，它在555nm上有最大值，此時1W輻射通量等于6831m。因此，相同條件下綠光的光通量要大于紅光與黃光。I-V曲線由表2作I-V曲線，并指數(shù)擬合，如圖 8所示。 Gree nExpGro1 fit of Data4 B0.040_0.035.Data: Data4_B0 030>Model: ExpGro1Equatio n: y = A1*exp(x/t1) + y00.025_Weight ing:yNo weig

22、ht ing0.020 . /ChiA2/DoF= 4.0246E-60.015- /RA2= 0.97490.010 -y0-0.0103 ±0.00564A10.00045±0.000470.005-St10.53928±0.107980.000 - 0.005_1.82.02.22.42.6UN(a)綠光LED的l-V曲線YellowExpGro1 fit of Data9 B0.0250.0200.0150.0100.0050.0002.1U/V(b)黃光LED的l-V曲線0.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050.

23、000-0.005RedExpGro1 fit of Data15 BData: Data9_BModel: ExpGro1Equati on: y = A1*exp(x/t1) + y0Weight ing:y No weight ingChiA2/DoF = 9.0143E-7RA2=0.98717y0-0.00221±0.00123A10.00001±0.00001t10.3127 ±0.03452Data: Data15_BModel: ExpGro1Equatio n: y = A1*exp(x/t1) + y0Weight ing:yNo weight

24、 ingChiA2/DoF = 3.6361E-6RA2= 0.98019y0-0.00888±0.00447A10.00022±0.00023t10.46221±0.08144U/V(c)紅光LED的l-V曲線圖8.LED的l-V曲線分析:綠光LED閾值電壓大致在 1.825V，黃光1.7545V，紅光1.8202V。由圖8可知，由于內(nèi)建電場的關(guān)系，當(dāng)正向電壓低于閾值電壓時，電流為零，LED不發(fā)光。當(dāng)電壓超過閾值電壓時，電流急劇上升，呈指數(shù)增長趨勢。根據(jù)Shockley方程，流過pn結(jié)的電流和兩端電壓的關(guān)系為：f 2-2eV 、/ eU 、I =eA直兀+胚山|

25、e肓-1 =ls e訐-1總TP Nd "n Na人 丿'丿(2)其中，e為電子電荷量，k為玻爾茲曼常量，T為熱力學(xué)溫度，Is是反向飽和電流。常溫下kT0.26eV加正偏壓時，U»kT，上式可化簡為eU I =lsekTI-V曲線擬合結(jié)果：擬合相關(guān)系數(shù)：UIGreen =0.00045e°.53928 -0.0103UlYell°w =0.00001e0.3127 -0.00221UlRed =0.00022e0.46221 -0.008882 2 2Rsreen =0.9749Rfellow =0.98717RRed =0.98019。反向飽和

26、電流：sGreen= 450丨 sYellow =10 »Al$Red=220 從。可以看到，指數(shù)部分的分母并不準(zhǔn)確為 0.26,而且不同LED各不相同并且相差很大， 這是由于化簡的Shockley公式并不完全準(zhǔn)確，實(shí)際上pn結(jié)之外的半導(dǎo)體材料和金屬與半導(dǎo) 體的接觸點(diǎn)都存在電阻，占有一定電壓，而且不同LED的參數(shù)不同等。但我們?nèi)钥梢哉J(rèn)為實(shí)驗(yàn)所得I-V曲線呈指數(shù)遞增，大致與理論相符。另外，曲線擬合結(jié)果不夠好， 可能是由于電壓并不完全為穩(wěn)流穩(wěn)壓電源造成，也與LED的熱效應(yīng)，儀器靈敏度等有關(guān)。(3)P-I曲線由表2作P-I曲線，并線性擬合，如圖9所示。1.21.00.8W 0.6W0.40

27、.20.0-0.0050.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040l/AY = A + B * XParameterValueErrorA0.012910.01622B32.92402 0.74477RSD NP0.99517 0.04001 21<0.0001Linear Regression for Data3_B:(a)綠光LED的P-I曲線I/ALin ear Regressi on for Data5_B:Y = A + B * XParameter Value ErrorA-0.007750.00178B8.808480.1413

28、2RSD NP0.99769 0.00488 20<0.0001(b)黃光LED的P-I曲線Lin ear Regressi on for Data7_B:Y = A + B * XParameter Value ErrorA0.009580.00287B1.049750.13659RSD NP0.88119 0.007419 <0.0001(c)紅光LED的P-I曲線圖9.LED的P-I曲線分析:P-I曲線擬合結(jié)果:FGreen = 32.9240210.01291PYeiiow = 8.808481 - 0.00775PRed =1.049751-0.00958擬合相關(guān)系數(shù)：Rcreen =0.99517, RYei = 0.99769 , Rped =0.88119。綠光LED和黃光LED的擬合相關(guān)系數(shù)都達(dá)到 0.995以上，可以說 P-I呈線性關(guān)系，實(shí) 驗(yàn)結(jié)果與理論相符。綠光 LED的斜率為