（精選）發(fā)光二極管物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、項(xiàng)目說(shuō)明書(shū)物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)報(bào)告張益鑫39032517 趙正39032510 王冬39032526第一部分：發(fā)光二極管特性的研究摘要摘要部分要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)做了什么以及得出什么結(jié)論，背景介紹可以放在后面實(shí)驗(yàn)原理中寫(xiě)：在我們的生活中，隨處可見(jiàn)到各種各樣的發(fā)光二極管，包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)LED）、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏（簡(jiǎn)稱(chēng)矩陣管）等。事實(shí)上，數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及矩陣管中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管，在眾多類(lèi)型的發(fā)光二極管中，我們選擇了使用較為普遍的紅色LED（圖表圖和表是有區(qū)別的不能這樣籠統(tǒng)地寫(xiě)，以下要求相同1）做為重點(diǎn)，研究了它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電學(xué)特性，發(fā)光特性。圖表 1 圖或

2、表前后要與正文留出一行的間距，以下要求相同我們重點(diǎn)研究的二極管實(shí)驗(yàn)原理大題目頂格寫(xiě)一、 發(fā)光二極管小題目空兩格寫(xiě)結(jié)構(gòu)以紅色發(fā)光二極管為例，我們將其切開(kāi)，可以清楚的看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的核心是PN結(jié)，正是由于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，所以發(fā)光二極管只有通以正向電壓時(shí)才可以發(fā)光，當(dāng)PN結(jié)承受反向電壓時(shí)，電阻趨于無(wú)窮大，二極管截止，不會(huì)發(fā)光。圖表 2 剖開(kāi)的紅色LED二、 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由-族化合物，如砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，

3、空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流（多子）復(fù)合而發(fā)光，如下圖所示：圖表 3 LED發(fā)光原理圖三、 LED的電學(xué)特性1. LED的常見(jiàn)電學(xué)參數(shù)通過(guò)查找資料，我們找到了LED的一些常用參數(shù)：1.1允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，LED發(fā)熱、損壞。1.2最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過(guò)此值可損壞二極管。 1.3最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。1.4正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6&#

4、183;IFm以下。1.5正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在 IF=20mA時(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.43V。在外界溫度升高時(shí)，VF將下降。2.LED的伏安特性在LED兩端加上不同的電壓，測(cè)得多組（UI）值，可以得到LED的伏安特性曲線(xiàn)，從實(shí)驗(yàn)得出的伏安特性曲經(jīng)可以看出，在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光，而當(dāng)電壓超過(guò)某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，二極管發(fā)光。由V-I曲線(xiàn)可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10A以下。圖表 4 3 序號(hào)依次按順序編伏安特性曲線(xiàn)四、

5、發(fā)光二極管的光強(qiáng)分布規(guī)律下圖給出的發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線(xiàn)（法線(xiàn)）AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線(xiàn)方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1，離開(kāi)法線(xiàn)方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。圖表 3 4 理論光強(qiáng)分布圖實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)光二極管、直流穩(wěn)壓源、萬(wàn)用表、電阻箱、導(dǎo)線(xiàn)、開(kāi)關(guān)、光功率計(jì)。除了直接寫(xiě)出所用材料即可，也可在儀器或材料前后說(shuō)明一下：如測(cè)試性能用，制作應(yīng)用裝置用。以上必須的財(cái)料，我們利用本板，面包板，導(dǎo)線(xiàn)等元件，制作了自己的實(shí)驗(yàn)裝置，如下圖所示：圖表 5 伏安特性測(cè)試裝置圖表 6 光強(qiáng)測(cè)試裝置最好在圖中標(biāo)出儀器名稱(chēng)實(shí)驗(yàn)步驟一、

6、測(cè)量發(fā)光二極管的伏安特性建議再測(cè)量一下反向的伏安特性曲線(xiàn)，以保證數(shù)據(jù)的完整性按照下圖連接實(shí)驗(yàn)電路，其中滑動(dòng)變阻器用變阻箱代替。由于電流的測(cè)試不方便，如前所述，PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)電阻很小，如果我們串接萬(wàn)用表可以串聯(lián)電流表吧？在電路里，萬(wàn)用表的內(nèi)阻會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大的影響，并且萬(wàn)用表進(jìn)行電流、電壓測(cè)量需要改換插頭，對(duì)于測(cè)量會(huì)造成一定的不便，因此我們選擇采用間接測(cè)量電壓表的內(nèi)阻一般是幾千歐-幾十千歐，當(dāng)電阻箱的阻值較大是，會(huì)不會(huì)因?yàn)殡妷罕淼姆至鞫菇Y(jié)果不準(zhǔn)確呢？的方法，在此法中總電壓保持不變，測(cè)量變阻箱電壓，由于電阻箱阻值和其兩端的壓降測(cè)量都是相對(duì)精確的，我們進(jìn)而測(cè)得二極管電壓，電路中電流由求得，即

7、可得到二極管的電流電壓關(guān)系，畫(huà)出相應(yīng)的伏安特性曲線(xiàn)，為保證二極管在串接較低電阻時(shí)也不會(huì)燒壞，我們加入了470歐姆的限流保護(hù)電阻。圖表 7 伏安特性測(cè)試電路1. 改變變阻箱的阻值，記下多組（R，U）的值，此過(guò)程中保持電源總電壓不變。2. 由記錄的數(shù)據(jù)算出二極管兩端的電壓和電流并列表。3. 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，畫(huà)出伏安特性曲線(xiàn)并進(jìn)行分析。二、 測(cè)試一二編號(hào)都保留，不知怎么回事就被劃掉了。二極管的光強(qiáng)分布1. 測(cè)量發(fā)光二極管法線(xiàn)方向光強(qiáng)與距離的關(guān)系。2. 如下圖8所示，在本次測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)電學(xué)特性測(cè)量與查找資料，在保持電源電壓5V的情況下，串入150歐姆電阻，使得二極管的工作電流為20mA,這樣的

8、工作電流是二極管的正常工作電流，連好線(xiàn)路后，我們保持單一變量是發(fā)光二極管中心到光功率計(jì)接收孔的距離，使發(fā)光二極管正對(duì)光功率計(jì)，改變接收器的位置，記錄光源到接收器原位置和光功率計(jì)的讀數(shù)，在這里為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為明顯，我們選擇了光功率計(jì)的200uw量程，與直徑為6mm的接收孔，從較近位置到較遠(yuǎn)位置合理選擇了一系列的測(cè)試點(diǎn)，得到光強(qiáng)與距離的關(guān)系。圖表 8 發(fā)光二極管法線(xiàn)方向光強(qiáng)與距離的關(guān)系測(cè)試儀器3. 同上圖8裝置，固定光源到接收器的距離，這里我們選擇在測(cè)量光強(qiáng)與距離關(guān)系實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)適中位置（65mm），在這個(gè)位置處，光強(qiáng)實(shí)數(shù)較大，距離適中，符合一般二極管的使用情況，具有較強(qiáng)的代表性。旋轉(zhuǎn)發(fā)光源，改

9、變發(fā)光中心與導(dǎo)軌的夾角，觀(guān)察光功率計(jì)的讀數(shù)變化不需要記錄嗎？，在此過(guò)程中保持LED電壓各距離不變這句話(huà)是什么意思??？。4. 記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并注意發(fā)光二極管中心與滑塊中心的偏差，測(cè)量修正值，在數(shù)據(jù)處理中使用修正值使得結(jié)果更為精確有這個(gè)修正很好！。數(shù)據(jù)處理和誤差分析一、 發(fā)光二極管的伏安特性1.伏安特性數(shù)據(jù)記錄（變阻箱電壓和電阻）R（歐姆）U（伏）R（歐姆）U（伏）R（歐姆）U（伏）900003.42525003.2623003.1800003.41920003.2492503.085700003.41319003.2452003.065600003.40618003.2421503.045

10、00003.39917003.2381003.015400003.3916003.234903.015300003.37815003.23803.013200003.36214003.226703.008180003.35713003.22603.003160003.35212003.215502.996140003.34611003.208452.996120003.3410003.2402.99100003.3329003.192352.98490003.3288003.184302.9880003.3227003.174252.96770003.3166003.161202.956000

11、3.3095003.145152.9150003.34503.135102.82840003.2894003.12392.78130003.2733503.11382.7352.數(shù)據(jù)處理和圖表分析根據(jù)和將上面圖表中對(duì)應(yīng)的值算出，然后得到如下的伏安特性曲線(xiàn)：圖表 9 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的LED伏安特性曲線(xiàn)作圖最好保留原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的痕跡，excel或origin等軟件可以實(shí)現(xiàn)這種效果從圖表中看出，在發(fā)光二極管電壓小于2V時(shí)，LED的電流接近零，發(fā)光二極管基本不亮，而在電壓大于2V時(shí)，電流隨電壓迅速增加。因此我們可以認(rèn)為2V是二極管的閾值電壓正向?qū)妷?？，?dāng)電壓大于2V時(shí)，二極管正向?qū)娏餮杆僭黾?，發(fā)光亮度

12、迅速變亮，當(dāng)亮度變化到一定很大的時(shí)候，繼續(xù)加大電壓，人眼無(wú)法明顯分辨出光強(qiáng)變化，繼續(xù)增大電壓，亮度變?nèi)?，直至發(fā)光二極管熄滅，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)此時(shí)的二極管已經(jīng)被擊穿損壞。電流上升階段是非線(xiàn)性的，又這是由PN結(jié)的電學(xué)特性決定，也受到環(huán)境（如溫度）的一定影響，但是從曲線(xiàn)整體的趨勢(shì)看，已經(jīng)所測(cè)得理論值已經(jīng)與一般發(fā)光二極管的情況是完全相符了的，：在上升階段的中間部分，出現(xiàn)了一段近似的線(xiàn)性上升，我們一般讓二極管工作在這個(gè)區(qū)域。在電壓小于2V的時(shí)候，雖然給二極管是施加的是正向電壓，但是從實(shí)驗(yàn)和圖中可以看出，此時(shí)流過(guò)二極管的電流非常的小，不足以驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)光，因此我們認(rèn)為這個(gè)區(qū)域是二極管工作的死區(qū)，只有當(dāng)電壓大于閾值

13、電壓，二極管才能產(chǎn)生一定的正向?qū)娏?，?qū)動(dòng)二極管發(fā)光。實(shí)驗(yàn)中，我們也對(duì)二極管的反向特性進(jìn)行了測(cè)試，在反向電壓小于33V時(shí)，二極管不發(fā)光，電流為零，由于直流穩(wěn)壓源提供的最高電壓為33V，并且安全電壓是36V，因此我們無(wú)法測(cè)出反向擊穿電壓。我們從參考資料得擊穿電壓為30V到60V。二、 發(fā)光二極管光強(qiáng)分布測(cè)試1. 測(cè)量發(fā)光二極管法線(xiàn)方向光強(qiáng)與距離的關(guān)系實(shí)驗(yàn)記錄如下其中：修正距d電壓3.5cm3.04V接收器X1表中所用物理量均需注明單位光源X2距離L=X2-X1-d功率P左右左右平均66.569.568737674.53119.2666967.5737674.53.581.265.568.567

14、737674.5456.3656866.5737674.54.542.864.567.566737674.5531.9646765.5737674.55.525.163.566.565737674.5620.5636664.5737674.56.516.262.565.564737674.5713.2626563.5737674.57.511.661.564.563737674.589.7616462.5737674.58.58.660.563.562737674.597.5606361.5737674.59.56.659.562.561737674.5105.7596260.5737674.

15、510.5558.561.560737674.5114.6586159.5737674.511.54.157.560.559737674.5123.7576058.5737674.512.53.456.559.558737674.5133.1565957.5737674.513.52.8555856.5737674.514.52.3545755.5737674.515.52535654.5737674.516.51.7525553.5737674.517.51.5505351.5737674.519.51.1485149.5737674.521.50.8464947.5737674.523.5

16、0.6444745.5737674.525.50.5424543.5737674.527.50.4404341.5737674.529.50.3353836.5737674.534.50以P為縱坐標(biāo)，L為橫坐標(biāo)作圖如下：圖表 10發(fā)光二極管法線(xiàn)方向光強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線(xiàn)從圖表中看出，在法線(xiàn)方向上（導(dǎo)軌方向），光強(qiáng)與距離呈非線(xiàn)性關(guān)線(xiàn)，在L較小時(shí)，P下降迅速，在L較大時(shí)，P下降緩慢。說(shuō)明光強(qiáng)的衰減在距離較小時(shí)是非常迅速的，當(dāng)衰減到一定程度時(shí)，這種衰減變得不再明顯，最后平緩的趨于0可以用曲線(xiàn)擬合一下，驗(yàn)證是不是符合平方反比關(guān)系。2. 發(fā)光二極管光強(qiáng)與光源角度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)記錄如下：其中：（注：當(dāng)光源正對(duì)

17、接收器時(shí)，此時(shí)自制的指針指向刻度盤(pán)102度）修正距d電壓3.5cm3.04V角度功率角度功率700.110058.5750.5102.560.2800.810530.782.51.2107.522.6851.711010.787.52.41153.9905.21202.492.59.81251.69538.61301.197.5461350.3以功率P為縱坐標(biāo)，角度為橫坐標(biāo)，作圖如下：圖表 11 發(fā)光二極管光強(qiáng)與光源角度的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖11可知，發(fā)光功率與角度關(guān)系是一個(gè)單峰曲線(xiàn)，在發(fā)光二級(jí)管正對(duì)接收器時(shí)，光功率計(jì)的讀數(shù)最大。當(dāng)光源向兩邊旋轉(zhuǎn)時(shí)，光功率計(jì)計(jì)數(shù)讀數(shù)減小。這種減小理論上應(yīng)該是左右對(duì)稱(chēng)

18、的，但是由于制造工藝、二極管左右對(duì)稱(chēng)性，兩邊的衰減并不是標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)的，但是都可以看出，與距離相似，這種衰減也是非線(xiàn)性的，并且在較小的角度內(nèi)衰減很迅速，之后衰減減緩并平穩(wěn)趨于0可以進(jìn)一步用一個(gè)二次曲線(xiàn)擬合一下。三 實(shí)驗(yàn)總結(jié)如摘要所述，二極管在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用無(wú)處不在，發(fā)光二極管（LED）是我們最常見(jiàn)的二極管，二極管原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但是由于生產(chǎn)廠(chǎng)家不同，價(jià)格不同，很多的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)理論值相比有一定的出入，但是通過(guò)測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)這種出入是很小的，是我們可以接受的。通過(guò)電學(xué)特性的測(cè)量，我們實(shí)際繪制了二極管的伏安特性曲線(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)PN結(jié)的曲線(xiàn)相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相似的，驗(yàn)證了二極管的正向?qū)ㄩ撝惦妷?，通過(guò)實(shí)驗(yàn)

19、，我們發(fā)現(xiàn)即使二極管承受正向電壓，如果這個(gè)電壓小于二極管的閾值電壓，電路中的電流幾乎為0，可以認(rèn)為二極管沒(méi)有導(dǎo)通，當(dāng)電壓超過(guò)閾值電壓之后，電流隨電壓上升而上升，光強(qiáng)變大，但是如果電壓過(guò)大，二極管會(huì)被損壞。我們測(cè)得閾值電壓為2V，與理論值2V-2.2V是相符的。通過(guò)伏安特性曲線(xiàn)，加深了對(duì)PN結(jié)導(dǎo)通原理的理解。在光學(xué)特性測(cè)量中，我們以單一變量為原則，研究了光強(qiáng)與距離，角度的關(guān)系，并繪制了相應(yīng)的曲線(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)據(jù)分析、曲線(xiàn)繪制，我們得出了光強(qiáng)與距離、角度的非線(xiàn)性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在較近的距離和角度內(nèi)，光強(qiáng)下降迅速明顯，之后趨勢(shì)變緩。通過(guò)電、光特性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與測(cè)量，我們對(duì)生活中常用器件發(fā)光二極管的特性有了更好的認(rèn)識(shí)，對(duì)PN結(jié)特性有了更深的印象，較為全面的掌握了發(fā)光二極管的主要物理特性，因此，我們的實(shí)驗(yàn)是成功的。第二部分： 應(yīng)用裝置一、 整體布局綜合電路連接和美觀(guān)兩個(gè)角度考慮，我們?cè)?0*30cm單孔線(xiàn)路板上進(jìn)行布局，經(jīng)過(guò)一些天的制作，成品如下如所示：圖表 12 電子時(shí)鐘成品二、 系組組成1.控制核心為了減小體積，節(jié)約成本，我們選用一塊STC89C52單片機(jī)做為控制核心，對(duì)各顯示模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制，單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖如下：圖表 13 STC89C52最小系統(tǒng)2數(shù)碼管部分我們采用了2個(gè)兩位共陽(yáng)數(shù)碼管對(duì)時(shí)間進(jìn)行顯