1、LEU g 齊像超丸黎/圖1 LED結(jié)構(gòu)圖LED特性及光度測量實驗摘要：簡述了 LED的發(fā)光原理與特性，并對綠光、藍光、白光 LED的V-I特性，P-I特性,發(fā)光效率，以及光強的角度分布等光度學(xué)特性進行測量，探究 LED的發(fā)光特性。關(guān)鍵詞：LED,光度測量一、實驗原理概述.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，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(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

2、一個過渡層，稱為 p-n結(jié)。跨過此pn結(jié)，電子從n型材料擴散到p區(qū)，而空穴則從p 型材料擴散到n區(qū)，如右面的圖2 （a）所示。作為這一相互擴散的結(jié)果，在pn結(jié)處形成了一個高度的eAV的勢壘，阻止電子和空穴的進一步擴散，達到平衡狀態(tài)（見圖 2 （b）。當外加足夠高的直流電壓 V,且p型材料接正極，n型材料接負極時，電子和空穴將克 服在p-n結(jié)處的勢壘，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。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的光線，且發(fā)

3、光的強弱與注入電流有關(guān)。圖2.發(fā)光二極管的主要特性a）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，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。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。但要考慮人眼對不同波長的可見光的光靈敏度是不同的，國際照明委員會（CIE）為人眼對不同

4、波長單色光的靈敏度作了總結(jié)，在明視覺條件（亮度為3cd/m2以上）下，歸結(jié)出人眼標準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國射通量等于683lm,如圖3示，其中V （）為暗視覺條件（亮度為m2以下）下的光譜光視效率。陂長（tint）圖3明視覺和暗視覺條件下的光譜光效率函數(shù)C） 通常，光通量的測量以明視覺條件 作為測量條件，在測量時為了得到準確 的測量結(jié)果，必須把LEDt射的光輻射能 量收集起來，并用合適的探測器（應(yīng)具有 CIE標準光度觀測者光譜光效率函數(shù)的 光譜響應(yīng)）將它線性地轉(zhuǎn)換成光電流， 再 通過定標確定被測量的大小。這里可以 用積分球來收集光能量，如圖 4

5、積分球又叫光度球，是一個球形空腔，由內(nèi)壁涂有均勻 的白色漫反射層（硫酸鋼或氧化鎂）的球殼組裝而成，被測LEW于空腔內(nèi)。LE湍件發(fā)射 的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，使整個球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。基于積分球的原理，圖4擋屏的設(shè)計是為了避免LEa直射到探測器。球和探測器組成的整體要進行校準，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。d）發(fā)光強度：發(fā)光二極管的發(fā)光強度取決于p-n結(jié)中輻射型復(fù)合機率與非輻射型復(fù)合機率之比，通常是指法線方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr（即一單位立體

6、角度內(nèi)光通量為1 lm）時，則稱其發(fā)光強度為1坎德拉（candela），符號為cd。發(fā)光強度的概念要求光源是一個點光源，或者要求光源的尺寸和探測器的面積與離光探測器的距離相比足夠小 （這種要求被稱為遠場條件）。但在實際中往往沒有達到這樣 的要求，不能嚴格測出 LED的發(fā)光強度。CIE關(guān)于近場條件下的 LED測量，有兩個推薦 的標準條件：CIE標準條件 A和B。這兩個條件都要求，所用的探測器有一個面積為 1cm2（對應(yīng)直徑為的圓入射孔徑，LED面向探測器放置，并且要保證LED的機械軸通過探測器的孔徑中心。兩個條件的主要區(qū)別是在于：LED頂端到探測器的距離，立體角和平面角（全角）的不同，如表1所示

7、：表格1 CIE 平土L LED發(fā)光強度標準測試條件LED頂端到探測器的距離d立體角平面角（全角）應(yīng)用標準條件A316mm2窄視角LED標準條件B100mm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一個光源的顏色， 稱作光源的顏色溫度， 簡稱色溫。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。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。發(fā)光效率:I FVF中V為光通量。也就是顏色的逼真程度。

8、 國IF下得到的。一般是在IF其中If, Vf分別是發(fā)光二極管的正向電流和正向電壓,顯色性：光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性。際照明委員會 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二20mA時測得的.VI特性：在正向電壓小于閾值時，正向電流極小，不發(fā)光。 當電壓超過閾值后，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，f#況下常見的GaNLED反向漏電流在 VR = -5V時，反向漏電流IR 101 A。PI特性：即LED軸向光強與正向注入電流關(guān)系特性。由于一個產(chǎn)品中往往要使用許多個LE

9、Q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，我們就必須測量它的P-I特性。LED光強的測量是按照光度學(xué)上的距離平方反比定律來實現(xiàn)的。我們的測量電路及裝置如圖5所示。根據(jù) CIE127-1997標準，取LED到探測器端面距離 d= 100mm探測器接收面直徑a=o實驗用具實驗用具：LED （若干種類）、精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、積分球（=30cg、多功能光度計、通用標準光源、光功率計、直尺、萬用表、導(dǎo)線等實驗步驟.測量LED發(fā)光穩(wěn)定性。.測量待測LED的光通量，并

10、計算其發(fā)光效率。.測量LED的發(fā)光強度，V-I特性曲線以及 P-I特性曲線。四、實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析.測量LED發(fā)光穩(wěn)定性，點亮綠光 LED進行預(yù)熱，調(diào)節(jié)正向電流為 30mA每2min記錄次積分球讀數(shù)：，數(shù)據(jù)如下表2:表格2綠光LED穩(wěn)定性記錄表n12345678910 v /lm調(diào)節(jié)正向電流39mA測量藍光LED的發(fā)光穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)如表3:表格3藍光LED穩(wěn)定性記錄表n12345678910 v /lm調(diào)節(jié)正向電流48mA測量白光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n12345678910 v /lm從表格2與表格3的數(shù)據(jù)可以看出，綠光LED與藍光LED分別在30m

11、A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)了一次細微的上升，這主要是電源在調(diào)節(jié)后一段時間才穩(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 光LED所表現(xiàn)出來的穩(wěn)定發(fā)光截然不同，白光LED隨著通電時間增長， 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)光效率與溫度是負相關(guān)的關(guān)系，因此，出現(xiàn)了光通量逐漸減小的現(xiàn)象。.測量綠光，藍光，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

12、LED記錄表U/V012I/mA00000013 v/lm0000P/mW000000/lm/WU/VI/mA59131823303744 v/lmP/mW/lm/W*發(fā)光效率 =0v/IU從表格5中可以看出，當電壓達到某個閾值時，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=？? * 1。一了 X exp(UO. 179) 根據(jù)理論，在一定簡化假設(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q為電子電荷量，q = 1.60 X 10 % ； k為波爾茲曼

13、常數(shù)，k = 1.38 X 10 Fj/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與實驗中得出的 179mV差距很大。這是因為肖克利方程適用的是一般二極管，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載流子。而發(fā)光二極管中，電子空穴不僅要充當載流子更要發(fā)生復(fù)合，對外輻射光子。因此對應(yīng)的“溫度電壓當量”（暫稱為電壓系數(shù)）會遠大于一般二極管對應(yīng)的溫度電壓當量，并且發(fā)光二極管的溫度電壓當量取決于發(fā)光波長以及制作工藝。對藍光LED進行相同的操作，數(shù)據(jù)記錄如表6表格6藍光LED記錄表U/V0I/mA000127912 v/lm

14、000P/W000U/VI/mA1417212529343943 v/lmP/W*發(fā)光效率 =Ov/IU作出U-I特性曲線如下圖:50U-I曲發(fā)抵白1IIIII I I I I05 a.o 0.51.01.52.02.5303 540U（v）圖7藍光LED U-I特性曲線圖7中曲線擬合方程為： - L 56 X 10 4 X（6）cp（U0. 270）-相關(guān)系數(shù)R2=o與綠光LED的U-I特性曲線進行對比， 可以發(fā)現(xiàn)兩者均符合指數(shù)上升規(guī)律，但藍光LED對應(yīng)的電壓系數(shù)要比綠光 LED要大。再對白光LED進行同樣分析，數(shù)據(jù)記錄于表7表格7白光LED數(shù)據(jù)記錄表U/V0I/mA00000245 v/l

15、m00P/W00000/lm/WU/VI/mA89121416202225 v/lmP/W/lm/WU/VI/mA28313538414446 v/lmP/W/lm/W圖8白光LED伏安特性曲線作出U-I特性曲線如下:圖8中擬合曲線方程為：I 5gx Xk卬。0-416)-1I癡)，相關(guān)系數(shù)R2=o白光LED與藍光，綠光LED相似，伏安特性具有指數(shù)上升規(guī)律，但白光LED對應(yīng)的電壓系數(shù)比藍光與綠光都要大。綜上，三種顏色的 LED,具有類似的伏安特性。原因在于 LED (light emitting diode) 本質(zhì)上是一種二極管，所以會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

16、猜測，擬合方程中的電壓系數(shù)與發(fā)光波長呈負相關(guān)，與發(fā)光效率呈正相關(guān)。i10mA的數(shù)據(jù)點。下面下面作出3種LED對應(yīng)的發(fā)光效率 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。的情況可以知道電流表靈敏度較低， 應(yīng)用公式計算發(fā)光效率， 在低電流情況下， 應(yīng) 會出現(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，舍去 作出-I曲線(圖9): |Green LtD Blue LED A White LED圖9三種LED的 -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，藍光LED光效最低。圖中分別對3種LED的-I數(shù)據(jù)進行擬合，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

17、合，三種LED對應(yīng)的擬合曲線方程如下：綠光 LED :寸=14 45 l 40. 47 X 5Pl - 0.053 X l）（lm/W）,相關(guān)系數(shù) R2=;藍光 LED : H = 3.81 +6.67 X 呻（-0.053 X 1）。皿婚），相關(guān)系數(shù) R2=;白光 LED : H = 1&8b 卜附65 X 5M - 0.038 X,相關(guān)系數(shù) R2=;對于發(fā)光效率隨電流的增大而呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的特點，仍是LED領(lǐng)域一個重要的方向，目前關(guān)于它的成因還沒有一個定論模型，主要認為它是由于（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)階段認為載流子泄露機制在其中起重要作

18、用。但造成載流子泄露的機制比較復(fù)雜，載流子泄露電流與注入電流之間關(guān)系有一個經(jīng)驗公式：Ju = a X Jinj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)象一個可能的解釋。3.測量三種LED的P-I特性曲線以及光強空間角度分布實驗電路光路如下圖:探測器恒流源5T （全角）圖io實驗電路光路圖實驗中并沒有采用 CIE提供的平均光強測試標準條件，但實驗主要考察三種LED的P-I關(guān)系的異同，故不采用標準條件影響不大。實驗數(shù)據(jù)記錄如表格8:表格8三種LED平均光強記錄表彌兒1I/mA0113571115192431P/ W0045109207276352444530616695I/mA374863P

19、/ W762773780藍光1I/mA1244691113181927P/ W61745426689104124157175208I/mA30283438P/ W222228251262白光1I/mA1124671011141619P/ W62983159206256314370430484543I/mA21242730333639424650P/ W603656700744795835878914946984分別做的P-I曲線如下:圖11綠光LED P-I特性曲線0- I0 T0 20 X KfllA)圖13白光LED P-I特性曲線圖12藍光LED P-I特性曲線從圖11到13可以定性的觀

20、察到在電流較小的時候，軸向平均光強與電流接近線性，但隨著電流的繼續(xù)增大，平均光強的增長開始減緩，到最后幾乎不增長。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光強空間角度分布。三種LED數(shù)據(jù)記錄如下表:表格9 LED光強角度分布表9/475767778185878990綠光P/ W37161062354305446526949/91939597101105107117137P/ W68

21、960746233818985601009/646872767880828486藍光P/ W8101321283755861339/889092949698100102104P/ W180198182146111874129219/106108110112114116120P/ W19171411865白光9/527276788082848688P/ W1632401331503574055767259/9092949698100102104106P/ W79478870655338425415490509/110130P/ W3416表中角度是以LED軸向為90。進行轉(zhuǎn)化的。為了形象分析，將上表數(shù)據(jù)在極坐標上，角度為極角，光強為極徑作圖得:圖14綠光LED光強角度分布圖圖15綠光LED光強角度分布圖圖16白光LED光強角度分布圖從上面三幅圖可以形象的看出，樣品LED封裝時設(shè)有反射腔，光強只集中在軸向范圍的一個小角度里，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使它匯聚。問題討論.為什么LED的發(fā)光強度的測量值(cd)不能轉(zhuǎn)換成光通量(lm)答：兩者定義完全不同。LED 的發(fā)光強度是指軸向單位立體角里面的光通量。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/s