3.24LED实验讲义

3.24LED光电特性研究

一、实验目的

1.了解LED的光电特性，理解LED的发光机理。

2.学会用CIE标准定量测量平均辐射（发光）强度及半值角。

3.了解LED电流注入与辐射功率的关系及其测量方法。

4.了解LED的光谱特性及其测试方法。

二、实验原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长（光的颜色），是由形成P-N结材料决定的。

大功率LED，一般指大于0.65W，这一点不同公司内部也会有不同的标准，因为目前在大功率LED领域还没有形成大家一致认可的行业标准。光强与流明比小功率大，但同样散热也很大，现在大功率大多是单颗应用，加上有效散热面积很大的散热片，也出现了集成在一起的LED灯矩阵，但是散热效果不是很好。小功率一般是0.06W左右的。

1．LED器件的测试

对于LED器件，因其体积小、定向发射光、高亮度、PN结电特性等特点，从而在品质的评价和检测方法方面产生许多新的问题。不同的应用场合，决定了

对LED产品的性能要求。从而在品质的评价和检测方面产生许多新的问题。从光学性能来看，主要是亮度、视角分布、颜色、光通量、光束空间分布、显色特性及辐射照度等参数。此外，LED既是一种光源，又是一种功率型半导体器件。因此有关它的质量必须从光学、点穴等诸多方面进行综合评价。

1.1电特性测量参数

电特性：LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED 必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED 的最佳工作电功率。

正向电压VF Forward voltage

通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降

反向电流IR Reverse current

加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。

反向电压VR Reverse voltage

被测LED器件通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。1.2光特性测量指标

光学性能：LED的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”，主要有发光峰值波长、光谱辐射贷款、发光强度、半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。

1.2.1LED器件平均发光强度averaged LED intensity

光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd ，它表示光源在某单位球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出的光通量。1cd =1lm/1sr （sr ：立体角的球面度单位）。

照射在离LED 器件一定距离(d)处的光度探测器上的光通量V φ。与由光度探测器构成的立体角?的比值。按公式(1)计算LED 器件平均发光强度V I ：

2/v v v I s d φφ=

=? (1)

式中：S—光度探测器的面积，单位为2

m ；V I --平均发光强度，单位为cd。

CIEl27推荐在标准条件A 和标准条件B 这两种条件下，测量远场和近场条件下的LED 器件平均发光强度，分别用符号地LEDA I 和LEDB I 来表示。

1.2.2LED 光通量luminous flux

由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流明（lm ）。根据发光强度和光通量的定义,可以导出如下计算光通量的公式：

…………………………

（2）

式中,φ为主光束光通量,单位流明,I 为发光强度,单位cd；α为发散角,单位度。按上述公式得出的φ仅为发光管主光束的光通量,此处还应包括散射光。因而,总的光通量比φ大。但是,由于散射光难于计算,一般情况下,只算出主光束光通量就可以比较其发光效率的高低了。

1.2.3半强度角Ola half-intensity angle

在发光强度分布图形中，发光强度等于最大强度一半所对应的角度，如图：

1.2.4峰值波长Pλpeal wavelength

光谱分布曲线最大值对应的波长（见图3）

?spectral bandwidth at halfintensity levels

1.2.5光谱半宽度λ

在峰值波长两侧光强度为最大值的一半时所对应的波长之差值(见图3)

（图3）

1.2.6光谱分布P(λ)spectral distribution

在可见光波长范围内，各个波长的光辐射分布情况。

1.2.7主波长Dominant wavelength

任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源（如CIE标准光源A、B、C等）相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）。

若已获得被测LED器件的色度坐标，就可以采用等能白光E光源（x0＝0.3333，y0＝0.3333）作为参照光源来计算决定颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率，查表

读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长。

1.2.8色温Color Temperature

当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K（开尔文，开氏度=摄氏度+ 273.15）表示。

显色性(Color rendering property)

原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。

光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做"显色指数"（Ra）。显色性是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。

Ra值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。

2.LED测试标准

光度探测器的光谱灵敏度在被测器件发射的光谱波长范围内应该校准到CIE（国际照明委员会）标准光度观测者光谱曲线;测试辐射参数时应采用无光谱选择性的光探测器。测试系统应该按距离d和光阑D1用标准器校正。测量距离d应按CIE推荐的标准条件A和B设置。在这两种条件下,所用的探测器要求有一个面积为100mm2(相应直径为11.3mm)的圆入射孔径。

CIE推荐LED顶端到探测器的距离d立体角平面角(全角)

标准条件A316mm0.001sr2°

标准条件B100mm0.01sr 6.5°

三、实验仪器

LED光源、激光管夹持器、支杆套筒、导轨、积分球、直流稳压电源、光谱仪、照度计、计算机等。

四、实验步骤

实验一、LED电特性测试及V-I/P-I曲线绘制

正向/反向特性测试电路正向特性测试时：

1.将APS3005S恒流源的正负极接在LED测试灯头上，启动恒流源，调节电源

使LED发光，然后预热3分钟，注意不要将电压调节的过高。

2.恒流源电源调节回“0”值，将照度计靠近LED灯头，记录此时的照度计读

数，然后转动微调电流旋钮，观察照度计读数变化，记录照度计开始变化时的电流值，此电流值为阈值电流，然后每增加50mA记录一次照度计读数。

注：最大电流不得超过300mA。

正向伏安曲

线测试数据

I（mA）

P（V）

红光LED额定电压2.1V,额定电流300mA;

蓝色LED额定电压3.3V,额定电流300mA；

绿色LED额定电压3.3V,额定电流300mA；

白色LED额定电压3.3V,额定电流300mA。

反向特性测试时：

将APS3005S正负极交换，电压值从0V开始每缓慢增加电压，将电压值从0V调整至30V（根据不同灯头的额定电压确定），观察LED是否有击穿现象；之后再将电源接线调换，加载正常工作电压，观察LED是否能正常工作。

实验二、LED平均强度及发散角测试

1、平均强度

D--被测LED器件；

G--电流源；

PD--包括面积为A的光阑D1的光度探测器；

D2、D3--消除杂散光光栏,D2,D3不应限制探测立体角；

d--被测LED器件与光阑D1之间的距离。

1.调整被测LED器件使它的机械轴通过探测器孔径的中心。

2.调节滑块，使LED和探测器的距离为100mm，以CIE标准B标准执行。

3.接通电源，调节到LED的额定电压3.3V，读出照度计的读数。

4.测量10组数据。

2、发散角测试

测量半导体发光二极管在规定的工作电流下的平均LED强度的空间分布和半最大强度角及偏差角。半强度角θ/2是发光（或辐射）强度大于等于最大强度一半构成的角度（见图），在平均LED强度分布图形中，最大强度方向（光轴）与机械轴Z之间的夹角即为偏差角Δθ。

D：被测LED器件；

G：电流源；

PD：包括面积为A的光阑D1的光度探测器；

D2,D3：消除杂散光光栏,D2,D3不应限制探测立体角；

d：被测LED器件与光阑D1之间的距离；

θ：Z轴和探测器轴之间的夹角。

1.将LED装好后，安装在有转台的滑块上；将探测器放在距离LED100mm处。

2.给被测器件加上规定的工作电流。调整被测器件LED的机械轴与光探测器

轴重合，即θ＝0，测量光探测器的信号，把这个值设置为I＝100％；（即平均光强）

3.从0~+90°旋转度盘，测量各个角度时的发光强度值每10度记录一个值，得

到相对强度I/2与θ1之间的关系。

4.从0~-90°旋转度盘，测量各个角度时的发光强度值每10度记录一个值，得到

相对强度I/2与θ2之间的关系。

5.通过以上实验得到角度θ1、θ2，半强度角Δθ=|θ2-θ1|，即为LED的

发散角及光场分布曲线（如下图）。