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VI特性曲线、PI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light emitting diode（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。 图2、常规InGaN / 蓝宝石LED芯片剖面图 图3、InGaN LED芯片俯视图 P型电极N型 电极 在 p 型半导体和 n 型半导体之间存在一个过渡层，称为pn结。跨过此pn结，电子从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。作为这一相互扩散的结果，在pn结处形成了一个高度的eV的势垒，阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图4（b）。 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pn结处的势垒，分别流向 p 区和 n 区。在pn结处，电子与空穴相遇，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多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。这就是发光二极管的发光原理。（见图2.1.2（c）。通过材料的 选择可以改变半导体的能带带 隙，从而就可以发出从紫外到红 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。 n p电场eVpnnph h （a）（b）（c）电子的电势能电子的电势能图4 发光二极管的工作原理 （a） 电子和空穴扩散； （b） 形成势垒； （c） 电子和空穴复合发光 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V（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(亮度为3cd/m2以上)下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V ()，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()为暗视觉条件(亮度为0.001cd/m2以下)下的光谱光视效率。例如一个100 W的灯泡可产生1500lm，一支40 W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的测量结果，必须把LED发射的光辐射能量收集起来，并用合适的探测器(应具有CIE标准光度观测者光谱光效率函数的光谱响应)将它线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。这里可以用积分球来收集光能量，如图6。积分球又叫光度球，是一个球形空腔， 由内壁涂有均匀的白色漫反射层(硫酸钡或氧化镁)的球壳组装而成，被测LED置于空腔内。LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，使整个球壁上的照度均匀分布，可用一置于球壁上的探测器来测量这个与光通量成比例的光的照度。探 测 器 被测LED档屏图6 积分球结构示意图 基于积分球的原理，图6中挡屏的设计是为了避免LED光直射到探测器。球和探测器组成的整体要进行校准，同时还要关注探测器与光谱光视效率V()的匹配程度，使之比较符合人眼的观测效果。 （3） 发光强度：发光二极管的发光强度取决于pn结中辐射型复合机率与非辐射型复合机率之比，通常是指法线方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr（即一单位立体角度内光通量为1 lm）时，则称其发光强度为1坎德拉(candela)，符号为cd。由于早期LED的发光强度小，所以发光强度也常用毫坎德拉（mcd）作单位。 发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)。但是在LED测量的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是LED与探测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，从而严格地说并不能测量得到真正的LED的发光强度。 为了解决这个问题，使测量结果可通用比较，CIE推荐使用“平均发光强度概念:照射在离LED一定距离处的光探测器上的通量,与由探测器构成的立体角的比值。其中立体角可将探测器的面积 S 除以测量距离 d 的平方计算得到。 从物理上看，这里的平均发光强度的概念，与发光强度的概念不再紧密关联，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。CIE关于近场条件下的LED测量，有两个推荐的标准条件：CIE标准条件A和B。这两个条件都要求，所用的探测器有一个面积为1cm2(对应直径为11.3mm)的圆入射孔径，LED面向探测器放置，并且要保证LED的机械轴通过探测器的孔径中心。两个条件的主要区别是在于：LED顶端到探测器的距离，立体角和平面角(全角)的不同，如表1所示： 表1 CIE平均LED发光强度标准测试条件 LED顶端到探测器的距离d 立体角 平面角（全角）应用 标准条件A 316mm 0.001sr 2 窄视角LED 标准条件B 100mm 0.01sr 6.5 一般LED 实际应用中，用得较多的是条件B，它适用于大多数低亮度的LED光源，高亮度且发射角很小的LED光源应使用条件A。 （4） 色温：不同的光源，由于发光物质成份不同，其光谱功率分布有很大差异，一种确定的光谱功率分布显示为一种相应的光色，我们可以将光源所发的光与“黑体”辐射的光相比较来描述它的光色。人们用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色，称作光源的颜色温度，简称色温。用光源最接近黑体轨迹的颜色来确定该光源的色温，这样确定的色温叫做相关色温。以绝对温度（k=+273.15）K来表示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色逐渐由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白-蓝变化。如：当黑体加热呈现深红时温度约为550，即色温为550 + 273 = 823K。 （5） 发光效率：光源发出的光通量除以所消耗的功率（单位是lm/w）。它是衡量光源节能的重要指标。测得发光二极管的光通量后，就可以进一步经计算获得LED器件的发光效率。其计算关系式定义为: 发光效率：VVFFI V= 其中FI，FV分别是发光二极管的正向电流和正向电压。 （6） 显色性：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。也就是颜色的逼真程度。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数 （ra）定为100。各种类型的光源其显色指数各不相同。例如：白炽灯的显色指数大于90，荧光灯的显色指数在60至90之间。 （7） 正向工作电压VF：正向工作电压是在给定的正向电流IF下得到的。一般是在IF =20mA 时测得的。以常见的GaN LED为例，正向工作电压VF 在3.2V 左右。 （8） VI 特性：在正向电压小于阈值时，正向电流极小，不发光。当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速增加。由VI 曲线可以得出LED的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正常情况下常见的GaN LED反向漏电流在VR = -5V 时，反向漏电流 IR 10A。 （9） PI 特性：即LED轴向光强与正向注入电流关系特性。由于一个产品中往往要使用许多个LED，各LED的发光亮度必须相同或成一定比例后才能呈现均一的外观，因此我们必须使用恒流源控制好各LED的工作电流，从而使各LED的亮度达到的一致性。要研究LED工作电流与亮度的关系，我们就必须测量它的PI特性。 mAV可调稳流 电压源 图7 LED VI特性测试电路图 AV 可调稳流 电流源 图8 LED PI特性测试电路图 图9 LED PI特性测试装置图 恒流源LEDad光阑 LED光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律来实现的。我们的测量电路及装置如图8和9所示。根据CIE127-1997标准，取LED到探测器端面距离d100mm，探测器接收面直径a11.3mm。 三、实验用具 实验用具：LED（若干种类）、精密数显直流稳流稳压电源、积分球（30cm）、多功能光度计、通用标准光源、光功率计、直尺、万用表、导线等。 四、实验操作步骤 1、搭建发光二极管的光通量测量系统，并使用远方D031标准光源对多功能光度计进行定标。 2、替换标准光源为待测的LED，测量其光通量，计算发光效率。 3、设计光路，测量LED的发光强度。 4、测量LED VI特性曲线以及PI特性曲线。 五、实验报告要求与实验结果分析 实验报告要求学生写明实验目的、实验原理、实验用具及装置图，实验步骤；并在实际操作中过程中认真记录实验现象与结果。此外，实验报告中还必须包括以下的内容： 1、为什么LED的发光强度的测量值（cd）不能转换成光通量（lm）？ 2、有哪些方法可以提高LED的发光强度？ 六、参考书目 1、发光二极管，日青木昌治，人民邮电出版社， 1981陆大成等 2、光源与照明，英卡意莱斯，马斯登，复旦大学出版社，1992.4陈大华等 3、半导体发光二极管测试方法，鲍超，国际光电与显示文章展示，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室 4、Commission Internationale de VEclairage, Measurennt of LEDs, Publication CIE 127-1999