./項目說明書物理實驗競賽實驗報告張益鑫39032517趙正39032510王冬39032526第一部分：發光二極管特性的研究摘要摘要部分要寫出實驗做了什么以及得出什么結論,背景介紹可以放在后面實驗原理中寫：摘要部分要寫出實驗做了什么以及得出什么結論,背景介紹可以放在后面實驗原理中寫在我們的生活中,隨處可見到各種各樣的發光二極管,包括半導體發光二極管〔簡稱LED、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏〔簡稱矩陣管等。事實上,數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發光單元都是一個發光二極管,在眾多類型的發光二極管中,我們選擇了使用較為普遍的紅色LED〔圖表圖和表是有區別的不能這樣籠統地寫,以下要求相同1做為重點,研究了它的內部結構,電學特性,發光特性。圖和表是有區別的不能這樣籠統地寫,以下要求相同圖表SEQ圖表\*ARABIC1圖或表前后要與正文留出一行的間距,以下要求相同我們重點研究的二極管圖或表前后要與正文留出一行的間距,以下要求相同實驗原理大題目頂格寫大題目頂格寫發光二極管小題目空兩格寫結構小題目空兩格寫以紅色發光二極管為例,我們將其切開,可以清楚的看到其內部結構,它的核心是PN結,正是由于PN結的單向導電性,所以發光二極管只有通以正向電壓時才可以發光,當PN結承受反向電壓時,電阻趨于無窮大,二極管截止,不會發光。圖表SEQ圖表\*ARABIC2剖開的紅色LEDLED發光原理發光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等半導體制成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性,即正向導通,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子〔少子一部分與多數載流〔多子復合而發光,如下圖所示：圖表SEQ圖表\*ARABIC3LED發光原理圖LED的電學特性LED的常見電學參數通過查找資料,我們找到了LED的一些常用參數：1.1允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值,LED發熱、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。超過此值,發光二極管可能被擊穿損壞。1.4正向工作電流If：它是指發光二極管正常發光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。1.5正向工作電壓VF：參數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時測得的。發光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時,VF將下降。2.LED的伏安特性在LED兩端加上不同的電壓,測得多組〔U—I值,可以得到LED的伏安特性曲線,從實驗得出的伏安特性曲經可以看出,在正向電壓正小于某一值〔叫閾值時,電流極小,不發光,而當電壓超過某一值后,正向電流隨電壓迅速增加,二極管發光。由V-I曲線可以得出發光管的正向電壓,反向電流及反向電壓等參數。正向的發光管反向漏電流IR<10μA以下。圖表SEQ圖表\*ARABIC43序號依次按順序編伏安特性曲線序號依次按順序編發光二極管的光強分布規律下圖給出的發光二極管發光強度角分布的情況。中垂線〔法線AO的坐標為相對發光強度〔即發光強度與最大發光強度的之比。顯然,法線方向上的相對發光強度為1,離開法線方向的角度越大,相對發光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。圖表34理論光強分布圖實驗儀器發光二極管、直流穩壓源、萬用表、電阻箱、導線、開關、光功率計。除了直接寫出所用材料即可,也可在儀器或材料前后說明一下：如測試性能用,制作應用裝置用。以上必須的財料,我們利用本板,面包板,導線等元件,制作了自己的實驗裝置,如下圖所示：直接寫出所用材料即可,也可在儀器或材料前后說明一下：如測試性能用,制作應用裝置用。圖表SEQ圖表\*ARABIC5伏安特性測試裝置圖表SEQ圖表\*ARABIC6光強測試裝置最好在圖中標出儀器名稱最好在圖中標出儀器名稱實驗步驟測量發光二極管的伏安特性建議再測量一下反向的伏安特性曲線,以保證數據的完整性建議再測量一下反向的伏安特性曲線,以保證數據的完整性按照下圖連接實驗電路,其中滑動變阻器用變阻箱代替。由于電流的測試不方便,如前所述,PN結正向導通時電阻很小,如果我們串接萬用表可以串聯電流表吧？在電路里,萬用表的內阻會對實驗結果造成較大的影響,并且萬用表進行電流、電壓測量需要改換插頭,對于測量會造成一定的不便,因此我們選擇采用間接測量電壓表的內阻一般是幾千歐-幾十千歐,當電阻箱的阻值較大是,會不會因為電壓表的分流而使結果不準確呢？的方法,在此法中總電壓保持不變,測量變阻箱電壓,由于電阻箱阻值和其兩端的壓降測量都是相對精確的,我們進而測得二極管電壓,電路中電流由求得,即可得到二極管的電流—電壓關系,畫出相應的伏安特性曲線,為保證二極管在串接較低電阻時也不會燒壞,我們加入了470歐姆的限流保護電阻。可以串聯電流表吧？電壓表的內阻一般是幾千歐-幾十千歐,當電阻箱的阻值較大是,會不會因為電壓表的分流而使結果不準確呢？圖表SEQ圖表\*ARABIC7伏安特性測試電路改變變阻箱的阻值,記下多組〔R,U的值,此過程中保持電源總電壓不變。由記錄的數據算出二極管兩端的電壓和電流并列表。對數據進行處理,畫出伏安特性曲線并進行分析。測試一．二編號都保留,不知怎么回事就被劃掉了。。。二極管的光強分布一．二編號都保留,不知怎么回事就被劃掉了。。。測量發光二極管法線方向光強與距離的關系。如下圖8所示,在本次測量實驗中,我們通過電學特性測量與查找資料,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,這樣的工作電流是二極管的正常工作電流,連好線路后,我們保持單一變量是發光二極管中心到光功率計接收孔的距離,使發光二極管正對光功率計,改變接收器的位置,記錄光源到接收器原位置和光功率計的讀數,在這里為了使實驗現象更為明顯,我們選擇了光功率計的200uw量程,與直徑為6mm的接收孔,從較近位置到較遠位置合理選擇了一系列的測試點,得到光強與距離的關系。圖表SEQ圖表\*ARABIC8發光二極管法線方向光強與距離的關系測試儀器同上圖8裝置,固定光源到接收器的距離,這里我們選擇在測量光強與距離關系實驗中的一個適中位置〔65mm,在這個位置處,光強實數較大,距離適中,符合一般二極管的使用情況,具有較強的代表性。旋轉發光源,改變發光中心與導軌的夾角,觀察光功率計的讀數變化不需要記錄嗎？,在此過程中保持LED電壓各距離不變這句話是什么意思啊？。不需要記錄嗎？這句話是什么意思啊？記錄和分析實驗數據,并注意發光二極管中心與滑塊中心的偏差,測量修正值,在數據處理中使用修正值使得結果更為精確有這個修正很好！。有這個修正很好！數據處理和誤差分析發光二極管的伏安特性1.伏安特性數據記錄〔變阻箱電壓和電阻R〔歐姆U〔伏R〔歐姆U〔伏R〔歐姆U〔伏900003.42525003.2623003.1800003.41920003.2492503.085700003.41319003.2452003.065600003.40618003.2421503.04500003.39917003.2381003.015400003.3916003.234903.015300003.37815003.23803.013200003.36214003.226703.008180003.35713003.22603.003160003.35212003.215502.996140003.34611003.208452.996120003.3410003.2402.99100003.3329003.192352.98490003.3288003.184302.9880003.3227003.174252.96770003.3166003.161202.9560003.3095003.145152.9150003.34503.135102.82840003.2894003.12392.78130003.2733503.11382.7352.數據處理和圖表分析根據和將上面圖表中對應的值算出,然后得到如下的伏安特性曲線：圖表SEQ圖表\*ARABIC9實驗測得的LED伏安特性曲線作圖最好保留原始數據點的痕跡,excel或origin等軟件可以實現這種效果作圖最好保留原始數據點的痕跡,excel或origin等軟件可以實現這種效果從圖表中看出,在發光二極管電壓小于2V時,LED的電流接近零,發光二極管基本不亮,而在電壓大于2V時,電流隨電壓迅速增加。因此我們可以認為2V是二極管的閾值電壓正向導通電壓？,當電壓大于2V時,二極管正向導通電流迅速增加,發光亮度迅速變亮,當亮度變化到一定很大的時候,繼續加大電壓,人眼無法明顯分辨出光強變化,繼續增大電壓,亮度變弱,直至發光二極管熄滅,檢測發現此時的二極管已經被擊穿損壞。電流上升階段是非線性的,又這是由PN結的電學特性決定,也受到環境〔如溫度的一定影響,但是從曲線整體的趨勢看,已經所測得理論值已經與一般發光二極管的情況是完全相符了的,：在上升階段的中間部分,出現了一段近似的線性上升,我們一般讓二極管工作在這個區域。在電壓小于2V的時候,雖然給二極管是施加的是正向電壓,但是從實驗和圖中可以看出,此時流過二極管的電流非常的小,不足以驅動二極管發光,因此我們認為這個區域是二極管工作的死區,只有當電壓大于閾值電壓,二極管才能產生一定的正向導通電流,驅動二極管發光。正向導通電壓？實驗中,我們也對二極管的反向特性進行了測試,在反向電壓小于33V時,二極管不發光,電流為零,由于直流穩壓源提供的最高電壓為33V,并且安全電壓是36V,因此我們無法測出反向擊穿電壓。我們從參考資料得擊穿電壓為30V到60V。發光二極管光強分布測試測量發光二極管法線方向光強與距離的關系實驗記錄如下其中：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66.569.568737674.53119.2666967.5737674.53.581.265.568.567737674.5456.3656866.5737674.54.542.864.567.566737674.5531.9646765.5737674.55.525.163.566.565737674.5620.5636664.5737674.56.516.262.565.564737674.5713.2626563.5737674.57.511.661.564.563737674.589.7616462.5737674.58.58.660.563.562737674.597.5606361.5737674.59.56.659.562.561737674.5105.7596260.5737674.510.5558.561.560737674.5114.6586159.5737674.511.54.157.560.559737674.5123.7576058.5737674.512.53.456.559.558737674.5133.1565957.5737674.513.52.8555856.5737674.514.52.3545755.5737674.515.52535654.5737674.516.51.7525553.5737674.517.51.5505351.5737674.519.51.1485149.5737674.521.50.8464947.5737674.523.50.6444745.5737674.525.50.5424543.5737674.527.50.4404341.5737674.529.50.3353836.5737674.534.50以P為縱坐標,L為橫坐標作圖如下：圖表SEQ圖表\*ARABIC10發光二極管法線方向光強與距離的關系曲線從圖表中看出,在法線方向上〔導軌方向,光強與距離呈非線性關線,在L較小時,P下降迅速,在L較大時,P下降緩慢。說明光強的衰減在距離較小時是非常迅速的,當衰減到一定程度時,這種衰減變得不再明顯,最后平緩的趨于0可以用曲線擬合一下,驗證是不是符合平方反比關系。可以用曲線擬合一下,驗證是不是符合平方反比關系發光二極管光強與光源角度的關系。實驗記錄如下：其中：〔注：當光源正對接收器時,此時自制的指針指向刻度盤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,角度為橫坐標,作圖如下：圖表SEQ圖表\*ARABIC11發光二極管光強與光源角度的關系曲線。由圖11可知,發光功率與角度關系是一個單峰曲線,在發光二級管正對接收器時,光功率計的讀數最大。當光源向兩邊旋轉時,光功率計計數讀數減小。這種減小理論上應該是左右對稱的,但是由于制造工藝、二極管左右對稱性,兩邊的衰減并不是標準對稱的,但是都可以看出,與距離相似,這種衰減也是非線性的,并且在較小的角度內衰減很迅速,之后衰減減緩并平穩趨于0可以進一步用一個二次曲線擬合一下。可以進一步用一個二次曲線擬合一下三實驗總結如摘要所述,二極管在生活生產中的應用無處不在,發光二極管〔LED是我們最常見的二極管,二極管原理簡單,應用廣泛,但是由于生產廠家不同,價格不同,很多的參數與標準理論值相比有一定的出入,但是通過測量,我們發現這種出入是很小的,是我們可以接受的。通過電學特性的測量,我們實際繪制了二極管的伏安特性曲線,與標準PN結的曲線相比,實驗結果是相似的,驗證了二極管的正向導通閾值電壓,通過實驗,我們發現即使二極管承受正向電壓,如果這個電壓小于二極管的閾值電壓,電路中的電流幾乎為0,可以認為二極管沒有導通,當電壓超過閾值電壓之后,電流隨電壓上升而上升,光強變大,但是如果電壓過大,二極管會被損壞。我們測得閾值電壓為2V,與理論值2V-2.2V是相符的。通過伏安特性曲線,加深了對PN結導通原理的理解。在光學特性測量中,我們以單一變量為原則,研究了光強與距離,角度的關系,并繪制了相應的曲線,通過實驗測量與數據分析、曲線繪制,我們得出了光強與距離、角度的非線性關系,發現在較近的距離和角度內,光強下降迅速明顯,之后趨勢變緩。通過電、光特性實驗的設計與測量,我們對生活中常用器件發光二極管的特性有了更好的認識,對PN結特性有了更深的印象,較為全面的掌握了發光二極管的主要物理特性,因此,我們的實驗是成功的。第二部分：應用裝置整體布局綜合電路連接和美觀兩個角度考慮,我們在20*30cm單孔線路板上進行布局,經過一些天的制作,成品如下如所示：圖表SEQ圖表\*ARABIC12電子時鐘成品系組組成1.控制核心為了減小體積,節約成本,我們選用一塊STC89C52單片機做為控制核心,對各顯示模塊進行相應的控制,單片機控制系統電路圖如下：圖表SEQ圖表\*ARABIC13STC89C52最小系統2．數碼管部分我們采用了2個兩位共陽數碼管對時間進行顯示,