1、LED特性及光度測(cè)雖實(shí)驗(yàn)摘要：簡(jiǎn)述了LED的發(fā)光原理與特性，并對(duì)綠光、藍(lán)光、白光LED的V-I特性，P-I特性，發(fā)光效率，以及光強(qiáng)的角度分布等光度學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，探究LED的發(fā)光特性。1. 關(guān)鍵詞：LED,光度測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)原理概述LED結(jié)構(gòu)與發(fā)光原理LED是英文lightemittingdiode（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(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用（如圖1）。圖1LED結(jié)構(gòu)圖n區(qū)，如右面的圖2（a）所示。作為eAV勺勢(shì)壘，阻止電子和空穴的進(jìn)一,n型材料接負(fù)極時(shí)，電子和空穴將pn結(jié)處，電子與空穴相遇，復(fù)

2、合，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)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為p-n結(jié)?？邕^(guò)此pn結(jié)，電子從n型材料擴(kuò)散到p區(qū)，而空穴則從p型材料擴(kuò)散孑這一相互擴(kuò)散的結(jié)果，在p-n結(jié)處形成了一個(gè)高度的步擴(kuò)散，達(dá)到平衡狀態(tài)（見圖2（b）。當(dāng)外加足夠高的直流電壓V,且p型材料接正克服在pn結(jié)處的勢(shì)壘，分別流向p區(qū)和n區(qū)。電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，電子將多余的能量將以發(fā)射光子的形式釋放出來(lái)，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(zhǎng)的光線，且發(fā)光的強(qiáng)弱與注入電流有關(guān)。圖22. 發(fā)光二極管的主要特性a）光譜

3、分布、峰值波長(zhǎng)和光譜輻射帶寬：發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)具有正態(tài)分布的特點(diǎn)，在最大光譜能量（功率）處的波長(zhǎng)成為峰值波長(zhǎng)。即使有兩個(gè)LED的峰值波長(zhǎng)是一樣的，但它們?cè)谌搜壑幸鸬纳杏X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(zhǎng)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(gè)空間在單位時(shí)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(duì)不同波長(zhǎng)的可見光的光靈敏度是不同的，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE內(nèi)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)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

4、）下，歸結(jié)出人眼標(biāo)準(zhǔn)光度觀測(cè)者光譜光效率函數(shù)V（）,它在555nm上有最大值，此時(shí)1W輻射通量等于683lm，如圖3示，其中V'（）為暗視覺條件（亮度為0.001cd/m2以下）下的光譜光視效率。圖3明視覺和暗視覺條件下的光譜光效率函數(shù)81?c）通常，光通量的測(cè)量以明視覺條件作為測(cè)量條件，在測(cè)量時(shí)為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，必須把LEDt射的光輻射能量收集起來(lái)，并用合適的探測(cè)器（應(yīng)具有CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀測(cè)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(guò)定標(biāo)確定被測(cè)量的大小。這里可以用積分球來(lái)收集光能量，如圖4積分球又叫光度球，是一個(gè)球形空腔，由內(nèi)壁涂有均勻的白色漫反射層（硫酸徹或氧

5、化鎂）的球殼組裝而成，被測(cè)LEE®于空腔內(nèi)。LE蒂件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，使整個(gè)球壁上的照度均勻分布，可用一置于球壁上的探測(cè)器來(lái)測(cè)量這個(gè)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(jì)是為了避免LE毗直射到探測(cè)器。球和探測(cè)器組成的整體要進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)還要關(guān)注探測(cè)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(cè)效果。d）發(fā)光強(qiáng)度：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度取決于p-n結(jié)中輻射型復(fù)合機(jī)率與非輻射型復(fù)合機(jī)率之比，通常是指法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr（即一單位立體角度內(nèi)光通量為1lm）時(shí)，則稱其發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉（candela）

6、,符號(hào)為cd。發(fā)光強(qiáng)度的概念要求光源是一個(gè)點(diǎn)光源，或者要求光源的尺寸和探測(cè)器的面積與離光探測(cè)器的距離相比足夠?。ㄟ@種要求被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)條件）。但在實(shí)際中往往沒有達(dá)到這樣的要求，不能嚴(yán)格測(cè)出LED的發(fā)光強(qiáng)度。CIE關(guān)于近場(chǎng)條件下的LED測(cè)量，有兩個(gè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件：CIE標(biāo)準(zhǔn)條件A和B。這兩個(gè)條件都要求，所用的探測(cè)器有一個(gè)面積為1cm2（對(duì)應(yīng)直徑為11.3mm）的圓入射孔徑，LED面向探測(cè)器放置，并且要保證LED的機(jī)械軸通過(guò)探測(cè)器的孔徑中心。兩個(gè)條件的主要區(qū)別是在于：LED頂端到探測(cè)器的距離,立體角和平面角（全角）的不同，如表1所示：表格1CIE平均LED發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件LED頂端到探測(cè)器的距離d

7、立體角平面角（全角）應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)條件A316mm0.001sr2窄視角LED標(biāo)準(zhǔn)條件B100mm0.01sr6.5°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(lái)表達(dá)一個(gè)光源的顏色，稱作光源的顏色溫度，簡(jiǎn)稱色溫。用光源最接近黑體軌跡的顏色來(lái)確定該光源的色溫，這樣確定的色溫叫做相關(guān)色溫。f）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(biāo)。發(fā)光效率:IfVf其中If,Vf分別是發(fā)光二極管的正向電流和正向電壓，v為光通量。也就是顏色的

8、逼真程度。國(guó)g）顯色性：光源對(duì)物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性。際照明委員會(huì)CIE把太陽(yáng)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IF下得到的。一般是在IF=20mA時(shí)測(cè)得的.i）V-I特性：在正向電壓小于閾值時(shí)，正向電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)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)。正常情況下常見的GaNLED反向漏電流在VR=-5V時(shí)，反向漏電流IR<101A。j）PI特性：即LED軸向光強(qiáng)與正向注入電流關(guān)系特性。由于一個(gè)產(chǎn)品中往往要使用許多個(gè)LED各LED的發(fā)光亮度必須相同或成一定比例后才

9、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(dá)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(cè)量它的PI特性。我們的測(cè)量電路及d=100mm,探測(cè)圖5V-I特性測(cè)量電路（左）與P-I特性測(cè)量電路（右）LED光強(qiáng)的測(cè)量是按照光度學(xué)上的距離平方反比定律來(lái)實(shí)現(xiàn)的。裝置如圖5所示。根據(jù)CIE127-1997標(biāo)準(zhǔn)，取LED到探測(cè)器端面距離器接收面直徑a=11.3mm。二、實(shí)驗(yàn)用具1. 實(shí)驗(yàn)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（=30cm）、多功能光度計(jì)、通用標(biāo)準(zhǔn)光源、光功率計(jì)、直尺、萬(wàn)用表、導(dǎo)線等三、實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)量LED發(fā)光穩(wěn)定性。

10、2. 測(cè)量待測(cè)LED的光通量，并計(jì)算其發(fā)光效率。3. 測(cè)量LED的發(fā)光強(qiáng)度，V-I特性曲線以及P-I特性曲線。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析測(cè)量LED發(fā)光穩(wěn)定性，點(diǎn)亮綠光LED進(jìn)行預(yù)熱，調(diào)節(jié)正向電流為30mA，每2min記錄一次積分球讀數(shù)：，數(shù)據(jù)如下表2:表格2綠光LED穩(wěn)定性記錄表n12345678910v/lm2.212.212.222.222.222.222.222.222.222.22調(diào)節(jié)正向電流39mA,測(cè)量藍(lán)光LED的發(fā)光穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)如表3:表格3藍(lán)光LED穩(wěn)定性記錄表n12345678910v/lm0.630.630.630.630.630.630.640.640.640.64調(diào)節(jié)正

11、向電流48mA,測(cè)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n12345678910v/lm5.115.095.095.095.085.085.085.075.075.07從表格2與表格3的數(shù)據(jù)可以看出，綠光LED與藍(lán)光LED分別在30mA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(xì)微的上升，這主要是電源在調(diào)節(jié)后一段時(shí)間才穩(wěn)定下來(lái)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(lán)光LED所表現(xiàn)出來(lái)的穩(wěn)定發(fā)光截然不同，白光LED隨著通電時(shí)間增長(zhǎng)，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

12、溫度上升，而LED發(fā)光效率與溫度是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因此，出現(xiàn)了光通量逐漸減小的現(xiàn)象。1. 測(cè)量綠光，藍(lán)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LED記錄表U/V0122.52.72.82.913.01I/mA00000013v/lm00000.050.170.380.71P/mW0000002.919.03/lm/W130.5878.63U/V3.063.123.173.223.263.323.373.4I/mA59131823303744v/lm0.911.181.431.731.98

13、2.242.522.73P/mW15.328.0841.2157.9674.9899.6124.69149.6/lm/W59.4842.0234.7029.8526.4122.4920.2118.25*發(fā)光效率=中4IU從表格5中可以看出，當(dāng)電壓達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，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LEDU-I特性曲線圖6中擬合曲線方程為:I=2.72X10-7X?0.179)-1(?)根據(jù)理論，在一定簡(jiǎn)化假設(shè)情況下，肖克利方程(ShockleyEquation)給出了一般二極管流過(guò)PN結(jié)的電流與兩端電流的關(guān)系為i?=f?-1=?列?婷)-1?式中，q為電子電

14、荷量，q=1.60x10-19?k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38x10-23?/?T為熱力學(xué)溫度。1可見，擬合出來(lái)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Ui=26mV，與實(shí)驗(yàn)中得出的179mV差距很大。這是因?yàn)樾た死匠踢m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(dāng)載流子。而發(fā)光二極管中，電子空穴不僅要充當(dāng)載流子更要發(fā)生復(fù)合，對(duì)外輻射光子。因此對(duì)應(yīng)的“溫度電壓當(dāng)量”(暫稱為電壓系數(shù))會(huì)遠(yuǎn)大于一般二極管對(duì)應(yīng)的溫度電壓當(dāng)量，并且發(fā)光二極管的溫度電壓當(dāng)量取決于發(fā)光波長(zhǎng)以及制作工藝。對(duì)藍(lán)光LED進(jìn)行相同的操作，數(shù)據(jù)記錄如表6表格6藍(lán)光LED記錄表U/V02.

15、522.712.812.913.013.063.12I/mA000127912v/lm0000.040.090.170.210.26P/W0002.815.8221.0727.5437.446.94U/V3.163.223.263.313.373.413.463.5I/mA1417212529343943v/lm0.310.360.410.460.520.570.640.67P/W44.2454.7468.4682.7597.73115.94134.94150.57.016.585.995.565.324.924.744.45*發(fā)光效率=中4IU作出U-I特性曲線如下圖:11I'I1I

16、1I1I'I'I'I'I05。一0051.01.52.02.5303540(V)圖7藍(lán)光LEDU-I特性曲線圖7中曲線擬合方程為：1=1.56X10-4x?0.278)-1(?);相關(guān)系數(shù)R2=0.9868。與綠光LED的U-I特性曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者均符合指數(shù)上升規(guī)律，但藍(lán)光LED對(duì)應(yīng)的電壓系數(shù)要比綠光LED要大。再對(duì)白光LED進(jìn)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/V02.52.62.712.812.913.013.06I/mA00000245v/lm000.030.120.350.671.11.33P/W000005.8212.04

17、15.3/lm/WU/V3.123.163.223.273.323.373.413.46I/mA89121416202225v/lm2.212.482.783.093.373.66P/W24.9628.4438.6445.7853.1267.475.0286.5/lm/W65.7167.1657.1954.1752.3345.8544.9242.31U/V3.513.563.613.673.723.773.81I/mA28313538414446v/lm3.914.164.364.624.794.965.12P/W98.28110.36126.35139.46152.52165.88175.2

18、6/lm/W39.7837.6934.5133.1331.4129.9029.21作出U-I特性曲線如下:圖8白光LED伏安特性曲線圖8中擬合曲線方程為：I=5.39X10-3X?0.416)-1(?),相關(guān)系數(shù)R2=0.9664。白光LED與藍(lán)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(duì)應(yīng)的電壓系數(shù)比藍(lán)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(lightemittingdiode)本質(zhì)上是一種二極管，所以會(huì)具有二極管的伏安特性。而從上面擬合出來(lái)的伏安特性曲線可以猜測(cè)，擬合方程中的電壓系數(shù)與發(fā)光波長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)，與發(fā)光效率呈正相關(guān)。下面作出3種LE

19、D對(duì)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0的情況可以知道電流表靈敏度較低，應(yīng)用公式計(jì)算發(fā)光效率，在低電流情況下，應(yīng)會(huì)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(shí)，舍去i<10mA的數(shù)據(jù)點(diǎn)。下面作出-I曲線(圖9):10-101520253035404550l/mA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(lán)光LED光效最低。圖中分別對(duì)3種LED的-I數(shù)據(jù)進(jìn)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)衰減擬合，三種LED對(duì)應(yīng)的擬合曲線方程如下：綠光LED:Y=14.45+40.47Xexp(-0.053X?/?，相

20、關(guān)系數(shù)居=0.9995;藍(lán)光LED:Y=3.81+6.67Xexp(-0.053X?lm/W),相關(guān)系數(shù)R2=0.9960;白光LED:Y=18.86+60.65Xexp(-0.038X?Xlm/W)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9976;對(duì)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(diǎn)，仍是LED領(lǐng)域一個(gè)重要的方向，目前關(guān)于它的成因還沒有一個(gè)定論模型，主要認(rèn)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?，F(xiàn)階段認(rèn)為載流子泄露機(jī)制在其中起重要作用。但造成載流子泄露的機(jī)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(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：?-?>?7?X?這是導(dǎo)致發(fā)光效率隨電流

21、增大而呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的現(xiàn)象一個(gè)可能的解釋。2. 測(cè)量三種LED的P-I特性曲線以及光強(qiáng)空間角度分布實(shí)驗(yàn)電路光路如下圖：恒流源探測(cè)器（全角）圖10實(shí)驗(yàn)電路光路圖LED的P-I實(shí)驗(yàn)中并沒有采用CIE提供的平均光強(qiáng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件，但實(shí)驗(yàn)主要考察三種關(guān)系的異同，故不采用標(biāo)準(zhǔn)條件影響不大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表格8:表格8三種LED平均光強(qiáng)記錄表I/mA0113571115192431P/W0045109207276352444530616695小兀I/mA374863P/W762773780藍(lán)光I/mA1244691113181927P/W61745426689104124157175208I/mA30283

22、438P/W222228251262白光I/mA1124671011141619P/W62983159206256314370430484543I/mAP/W21603246562770030744337953683539878429144694650984分別做的P-I曲線如下:圖11綠光LEDP-I特性曲線圖12藍(lán)光LEDP-I特性曲線圖13白光LEDP-I特性曲線從圖11到13可以定性的觀察到在電流較小的時(shí)候，軸向平均光強(qiáng)與電流接近線性，但隨著電流的繼續(xù)增大，平均光強(qiáng)的增長(zhǎng)開始減緩，到最后幾乎不增長(zhǎng)。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(shí)際工作電流小于注入電流

23、，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(qiáng)空間角度分布。三種LED數(shù)據(jù)記錄如下表:表格9LED光強(qiáng)角度分布表綠光9/°475767778185878990P/W37161062354305446526949/°91939597101105107117137P/W6896074623381898560100藍(lán)光9/°646872767880828486P/W8101321283755861339/°88909294969810010

24、2104P/W180198182146111874129219/°106108110112114116120P/W19171411865白光9/°527276788082848688P/W1632401331503574055767259/°9092949698100102104106P/W79478870655338425415490509/°110130P/W3416表中角度是以LED軸向?yàn)?0°進(jìn)行轉(zhuǎn)化的。為了形象分析，將上表數(shù)據(jù)在極坐標(biāo)上，角度為極角，光強(qiáng)為極徑作圖得：圖15綠光LED光強(qiáng)角度分布圖圖14綠光LED光強(qiáng)角度分布圖圖16白光LED光強(qiáng)角度分布圖從上面三幅圖可以形象的看出，樣品LED封裝時(shí)設(shè)有反射腔，光強(qiáng)只集中在軸向范圍的一個(gè)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)