1.6《LED 特性及光度测量实验》

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1、LED特性及光度测量实验（2008新增部分）中山大学光信息科学与技术实验室发光二极管特性测量实验一、实验目的和内容1、了解发光二极管的发光机理、光学特性与电学特性，并掌握其测试方法。2、设计简单的测试装置，并对发光二极管进行V－I特性曲线、P－I特性曲线的测量。二、实验基本内容1、概述50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震

2、性能好。LED结构图如下面图1所示：发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片。常规的发光二极管芯片的结构如图二所示，主要分为衬底，外延层（图2中的N型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层，P型与N型电极、钝化层几部分。钝化层的作用是保护透明接触层。N型电极P型电极图2、常规InGaN/蓝宝石LED芯片剖面图图3、InGaNLED芯片俯视图在p型半导体和n型半导体之间存在一个过渡层，称为＋－p－n结。跨过此p－n结，电子从n＋－p（a）n型材料扩散到p区，而空穴则从＋－p型材料扩散到n区，如右面的图4（a）所示。作为这一相互电场电扩散的结果，在p－n结

3、处形成了子p（b）的eΔV○－一个高度的eΔV的势垒，阻止○－电子和空穴的进一步扩散，达到电○－○－○－○－δ⊕⊕⊕⊕势平衡状态（见图4（b））。能n⊕⊕当外加一足够高的直流电压V，且p型材料接正极，n型材料接负极时，电子和空穴将○－○－克服在p－n结处的势垒，分别流电○○－○－hν－（c）子○－○－○－○－p向p区和n区。在p－n结处，的hν电子与空穴相遇，复合，电子由电n势⊕⊕⊕⊕高能级跃迁到低能级，电子将多⊕能⊕余的能量将以发射光子的形式⊕⊕⊕释放出来，产生电致发光现象。δ’这就是发光二极管的发光原理。图4发光二极管的工作原理（见图2.1.2（c））。通过材料的（a）电子

4、和空穴扩散；选择可以改变半导体的能带带（b）形成势垒；隙，从而就可以发出从紫外到红（c）电子和空穴复合发光外不同波长的光线，且发光的强弱与注入电流有关。例如，由目前流行的第三代半导体材料——GaN所制成的LED光谱分布很宽，可以从紫外的380nm，到蓝色的465nm，直至翠绿色的525nm。2、发光二极管的特点和优点LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。主要包括以下方面：（1）体积小。LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。（2）耗电量低。LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是

5、20-30mA。消耗能量较同光效的白炽灯减少80%（3）使用寿命长。在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。比传统光源寿命长5倍以上。（4）高亮度、低热量。（5）环保。LED是冷光源、眩光小，无辐射，由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。（6）坚固耐用。LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。3、发光二极管的主要特性（1）光谱分布、峰值波长和光谱辐射带宽：发光二极管所发之光并非单一波长，其波长具有正态分布的特点，在最大光谱能量(功率)处的波长成为

6、峰值波长。峰值波长在实际应用中其意义并不是十分明显，这是因为即使有两个LED的峰值波长是一样的，但它们在人眼中引起的色感觉也是可能不同的。光谱辐射带宽是指光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔，它表示发光管的光谱纯度。GaN基发光二极管的光谱射带宽在25至30nm范围。（2）光通量：LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量ΦV（单位是流明（lm）），是指LED向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。但要考虑人眼对不同波长的可见光的光灵敏度是不同的，国际照明委员会(CIE)为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件2(亮度为3cd/m

7、以上)下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V(λ)，它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图5所示，其中V’(λ)为暗2视觉条件(亮度为0.001cd/m以下)下的光谱光视效率。例如一个100W的灯泡可产生1500lm，一支40W的日光灯可产生3500lm的光通量。图5明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数通常，光通量的测量以明视觉条件作为测量条件，在测量时为了得到准确档屏的测量结果，必须把LED发射的光辐射探能量收集起来，并用合适的探测器(应测具有CIE标准光度观