LED特性测量实验报告.docx
- 文档编号:11390361
- 上传时间:2023-02-28
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:323.14KB
LED特性测量实验报告.docx
《LED特性测量实验报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《LED特性测量实验报告.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
LED特性测量实验报告
LED特征及光度测量试验
苏剑邦A8学号:
08323016
中山大学物理科学与工程技术学院光信息科学与技术
邮政编码:
510275中国图书馆分类号:
O43
摘要:
经过设计简单测试装置,并对发光二极管进行V-I特征曲线、P-I特征曲线测量,了解发光二极管发光机理、光学特征与电学特征,并掌握其测试方法。
本文统计了红光LED和绿光LED电流、电压、功率和光通量测量数据,以此研究探讨LED发光器件发光特征。
关键词:
LEDV-I特征P-I特征光度
MeasurementofthecharacteristicsandluminosityofLED
SujianbangA8ID:
08323016
SchoolofScienceandEngineeringofSUNYAT-SENUniversity
Postalcode:
510275
Abstract:
ThisessaystudytheopticalandelectriccharacteristicsofLEDbymeasuringit’sV-IcurveandP-Icurve.Inthisessay,dataofelectriccurrent,voltage,powerandluminousfluxofLEDarerecordedinordertostudyitscharacteristics.
Keyword:
LED,V-Icharacteristic,P-Icharacteristic,luminosity
【试验原理】
LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)缩写,它属于固态光源,其基础结构是一块电致发光半导体材料,置于一个有引线架子上,然后四面用环氧树脂密封,起到保护内部芯线作用(如图一)。
常规发光二极管芯片结构如图二所表示,关键分为衬底,外延层(图2中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。
图2、常规InGaN/蓝宝石LED芯片剖面图
发光二极管关键部分是由p型半导体和n型半导体组成晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。
跨过此p-n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,如右面图3(a)所表示。
作为这一相互扩散结果,在p-n结处形成了一个高度eΔV势垒,阻止电子和空穴深入扩散,达成平衡状态(见图3(b))。
当外加一足够高直流电压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结处势垒,分别流向p区和n区。
在p-n结处,电子与空穴相遇,复合,电子由高能级跃迁到低能级,电子将多出能量将以发射光子形式释放出来,产生电致发光现象。
这就是发光二极管发光原理。
选择能够改变半导体能带隙,从而就能够发出从紫外到红外不一样波长光线,
且发光强弱与注入电流相关,图3、发光二极管工作原理
2、发光二极管特点和优点
LED内在特征决定了它是最理想光源去替换传统光源,它有着广泛用途。
关键包含
(1)体积小
(2)耗电量低(3)使用寿命长(4)高亮度、低热量。
(5)环境保护(6)坚固耐用。
3、发光二极管关键特征
(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,其波长含有正态分布特点,在最大光谱能量(功率)处波长成为峰值波长。
即使有两个LED峰值波长是一样,但它们在人眼中引发色感觉也是可能不一样。
光谱辐射带宽是指光谱辐射功率大于等于最大值二分之一波长间隔,它表示发光管光谱纯度。
(2)光通量:
LED光源发射辐射通量中能引发人眼视觉那部分,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能引发人眼视觉辐射通量。
但要考虑人眼对不一样波长可见光光灵敏度是不一样,国际照明委员会(CIE)为人眼对不一样波长单色光灵敏度作了总结,在明视觉条件(亮度为3cd/m2以上)下,归结出人眼标准光度观察者光谱光效率函数V(
),它在555nm上有最大值,此时1W辐射通量等于683lm,如图4示,其中V’(
)为暗视觉条件(亮度为0.001cd/m2以下)下光谱光视效率。
图4明视觉和暗视觉条件下光谱光效率函数
通常,光通量测量以明视觉条件作为测量条件,在测量时为了得到正确测量结果,必需把LED发射光辐射能量搜集起来,并用适宜探测器(应含有CIE标准光度观察者光谱光效率函数光谱响应)将它线性地转换成光电流,再经过定标确定被测量大小。
这里能够用积分球来搜集光能量,如图5积分球又叫光度球,是一个球形空腔,
由内壁涂有均匀白色漫反射层(硫酸钡或氧化镁)球壳组装而成,被测LED置于空腔内。
LED器件发射光辐射经积分球壁数次反射,使整个球壁上照度均匀分布,可用一置于球壁上探测器来测量这个与光通量成百分比光照度。
基于积分球原理,图5挡屏设计是为了避免LED光直射到探测器。
球和探测器组成整体要进行校准,同时还要关注探测器与光谱光视效率V(
)匹配程度,使之比较符合人眼观察效果。
(3)发光强度:
发光二极管发光强度取决于p-n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1lm)时,则称其发光强度为1坎德拉(candela),符号为cd。
发光强度概念要求光源是一个点光源,或者要求光源尺寸和探测器面积与离光探测器距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)。
但在实际中往往没有达成这么要求,不能严格测出LED发光强度。
(4)色温:
不一样光源,因为发光物质成份不一样,其光谱功率分布有很大差异,一个确定光谱功率分布显示为一个对应光色。
大家用黑体加热到不一样温度所发出不一样光色来表示一个光源颜色,称作光源颜色温度,简称色温。
用光源最靠近黑体轨迹颜色来确定该光源色温,这么确定色温叫做相关色温。
(5)发光效率:
光源发出光通量除以所消耗功率(单位是lm/w)。
它是衡量光源节能关键指标。
发光效率:
其中
分别是发光二极管正向电流和正向电压,ΦV为光通量。
(6)显色性:
光源对物体本身颜色展现程度称为显色性。
也就是颜色逼真程度。
国际照明委员会CIE把太阳显色指数 (ra)定为100。
(7)正向工作电压VF:
正向工作电压是在给定正向电流IF下得到。
通常是在IF=20mA时测得.
(8)V-I特征:
在正向电压小于阈值时,正向电流极小,不发光。
当电压超出阈值后,正向电流随电压快速增加。
由V-I曲线能够得出LED正向电压,反向电流及反向电压等参数。
正常情况下常见GaNLED反向漏电流在VR=-5V时,反向漏电流IR<10μA。
(9)P-I特征:
即LED轴向光强与正向注入电流关系特征。
因为一个产品中往往要使用很多个LED,各LED发光亮度必需相同或成一定百分比后才能展现均一外观,所以我们必需使用恒流源控制好各LED工作电流,从而使各LED亮度达成一致性。
要研究LED工作电流与亮度关系,我们就必需测量它P-I特征。
LED光强测量是根据光度学上距离平方反比定律来实现。
我们测量电路及装置如图8和9所表示。
依据CIE127-1997标准,取LED到探测器端面距离d=100mm,探测器接收面直径a=11.3mm。
【试验用具】
试验用具:
LED(若干种类)、精密数显直流稳流稳压电源、积分球(Φ=30cm)、多功效光度计、通用标准光源、光功率计、直尺、万用表、导线等
【试验注意事项】
(1)标准光供电电流不能超出其标定电压,以免烧坏。
为预防标准光源供电电源开路电压过大,在装灯、卸灯时须将电源输出调至最小,或关闭。
(2)标准光源发光时,灯丝脆弱,受到震动轻易断裂。
所以,要求标准光源工作时不能受到震动,且熄灭后需要等5分钟,待标准光源冷却后再行拆卸。
(3)标准光源通常采取恒流式点燃,参数以电流为准。
(4)LED安装时切记清正、负极,严禁反装,以免烧坏。
(5)在进行LEDV-I特征和LEDP-I特征测量时,工作电压严禁超出4V,避免烧坏。
【试验内容及操作步骤】
1.搭建发光二极管光通量测量系统,并使用远方D031标准光源对多功效光度计进行定标。
校零:
a.将精密稳流稳压电源与光度计连接起来,并把Photo-J光度探头及标准光源正确装入积分球内;
b.关闭积分球,并确保精密稳流稳压电源无电流电压输出;
c.将Photo-J光度计后面板上钥匙拨至“CAL”,即垂直方向;
d.按下Photo-J光度计前面板上校零键“校零/ZERO”,数码管显示“zErO”,再按“校零/ZERO”,“采样/SAMPLE”指示灯与“校零/ZERO”指示灯同时亮起,此时仪器处于校零状态,约需1-2分钟,直到“校零/ZERO”指示灯灭,校零完成。
定标:
e.打开精密稳流稳压电源,慢慢调大电流至标准光源标定电流(假如标准光源产品检定汇报上所写是标定电压,则请调至标定电压),约稳定5分钟;
f.按一次Photo-J光度计前面板上定标键“定标/CAL”,数码管显示“CAL”,“定标/CAL”指示灯亮起,再按一次“定标/CAL”键,此时数码管闪烁,此时输入标准光源产品检定汇报上标定光通量。
(可用“>”键选择输入位置,“∧”键改变闪烁位置取值),第三次按下“定标/CAL”键,此时数码管显示定标系数,第四次按“定标/CAL”键,此时“定标/CAL”指示灯灭,“采样/EXAMPLE”指示灯闪烁,此时数码管显示光通量标定值,完成定标。
2.替换标准光源为待测LED,测量其光通量,计算发光效率。
g.慢慢将电压调至零,标准光源逐步熄灭,待标准光源冷却后再将其取出,替换为待测LED(切记:
LED长引脚为正极,短引脚为负极,不可插错!
),并将Photo-J光度计后面板上钥匙拨至“TEST”,即水平方向;
h.慢慢增大稳流稳压电源输出电压至3.5V,统计此时输出电压,电流值以及光度计上显示光通量,计算LED此时发光效率;
i.更换其它LED样品,反复步骤ⅷ。
3.测量LEDV-I特征曲线以及P-I特征曲线。
a.连接测量电路和架设光路(测量V-I特征根据图6,测量P-I特征根据图8和图9),注意LED正负不能接反,并把可调稳流电流源电流档和电压压档调到最小;
b.检验电路,确定无误后打开可调稳流电流源开关。
合适调大电流源输出电流和电压,让LED发光方便调准光路,确保LED在探测器接收圆面轴线上,与探测器端面距离d=100mm;
c.把电流档和电压档调回零,再缓慢增大输出电流和输出电压,统计下每一组电流、电压值及其对应光强,注意电压值不宜超出3.8V。
作出LEDV-I特征曲线以及P-I特
d.更换其它LED样品,反复以上步骤步骤。
【试验数据处理及结果分析】
1、V-I曲线和P-I曲线测量
LED光强测量是根据光度学上距离平方反比定律来实现。
依据CIE127-1997标准,在试验中取LED到探测器端面距离d=10cm。
同时进行还有LEDV-I曲线测量,测量电路图如图4。
试验中,我们分别测量了绿光和红光两种LEDV-I、P-I特征,测得数据如表1所表示:
表1绿光和红光LEDV-I、P-I特征数据
绿光LED
电流I/mA
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
电压V/V
0.00
1.49
1.67
1.85
2.03
2.88
2.96
3.05
3.11
3.15
功率P/mW
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.039
0.053
0.076
0.097
0.110
电流I/mA
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
电压V/V
3.18
3.20
3.24
3.28
3.31
3.33
3.37
3.39
3.40
3.43
功率P/mW
0.122
0.132
0.149
0.166
0.181
0.193
0.208
0.220
0.227
0.243
红光LED
电流I/mA
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
电压V/V
0.00
0.92
1.09
1.19
1.26
1.75
1.78
1.81
1.82
1.83
功率P/mW
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.026
0.031
0.042
0.047
0.050
电流I/mA
6.0
7.0
8.0
9.0
11.0
12.0
15.0
16.0
17.0
20.0
电压V/V
1.84
1.85
1.86
1.87
1.88
1.91
1.92
1.94
1.95
1.96
功率P/mW
0.060
0.071
0.074
0.088
0.095
0.108
0.127
0.137
0.146
0.164
由表1可发觉,当电压大于某一值时,LED才有显著电流反应,原因是LEDPN结有内建电场,在LED工作时有一定开启电压,而当正向电压小于开启电压时,就不会测量到正向电流;还有一个原因与测量电流仪器灵敏度相关,当LED有微弱正向电流时,即使有实际输入功率,但电流不足以激励电流计,电流计也就没有读数。
由表1数据可看到,电压愈大,发光愈强。
这特征在I-V曲线和P-I曲线有更直观表现。
依据表1数据,可作得绿光和红光LEDI-V曲线和P-I曲线以下:
图9绿光LEDI~V特征曲线
对绿光LEDI~V特征曲线作指数拟合,得到关系式是:
相关系数R2=0.99388,比较靠近于1,说明I~V关系非常靠近指数增加关系。
由图9知,绿光LED阈值电压大约为2.88V左右。
当输入正向电压低于阈值电压时,电路电流几乎为零,同时LED不发光。
当输入电压超出阈值电压时,电路正向电流是猛烈增加,增加几乎是按指数规律。
依据Shockley理论,对于一个散射面积为A二极管,其电流电压关系为:
其中,Dp,n,τp,n分别为空穴和电子扩散系数和寿命,与图9特征一致。
图10绿光LEDP~I特征曲线
对绿光LEDP~I特征曲线作指数拟合,得P=0.01308+0.01629I(mW)。
相关系数R=0.99117,非常靠近1,说明P~I呈良好线性关系。
图11红光LEDI~V特征曲线
对红光LEDI~V特征曲线作指数拟合,得到关系式是:
相关系数R2=0.97855,比较靠近于1,说明I~V关系比较靠近指数增加关系。
由图1知,红光LED阈值电压大约为1.75V左右,比绿光LED小。
由图11及数据分析知,红光LED与绿光LED一样,当输入正向电压低于阈值电压时,电路电流几乎为零,同时LED不发光。
当输入电压超出阈值电压时,电路正向电流是猛烈增加,增加几乎是按指数规律,I~V特征仍然满足Shockley理论关系式。
图12红光LEDP~I特征曲线
对红光LEDP~I特征曲线作指数拟合,得P=0.00785+0.00815I(mW)。
相关系数R=0.9929,非常靠近1,说明P~I呈良好线性关系。
与绿光LEDP~I数据对比可知,在通入相同电流条件下,红光LED功率比绿光LED功率小。
2、红绿光LED光通量与功率关系测量
前文提到过,试验中,输入正向电压比较小时候,测量得到电流为零。
为方便分析不一样输入功率下光通量情况,避免输入功率为零(此时发光效率为无穷大,没有意义),以下所取数值正向电流不为零(红光LED测量数据中有一个正向电流为0,实际作图分析时舍去此数据)。
表2绿光LED光通量Φ与正向电流、正向电压关系
正向电流I/mA
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
正向电压U/V
2.8632
2.9726
3.0423
3.0937
3.1387
3.1796
3.2116
3.2413
3.2678
3.2936
功率P/mW
2.8632
5.9452
9.1269
12.3748
15.6935
19.0776
22.4812
25.9304
29.4102
32.9360
光通量Φ/lm
10.02
19.39
28.92
37.92
47.23
56.65
64.75
72.74
80.27
87.77
发光效率η/(lmW-1)
3.50
3.26
3.17
3.06
3.01
2.97
2.88
2.81
2.73
2.66
正向电流I/mA
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
17.0
18.0
19.0
20.0
正向电压U/V
3.3161
3.3361
3.3570
3.3747
3.3931
3.4076
3.4236
3.4381
3.4525
3.4669
功率P/mW
36.4771
40.0332
43.6410
47.2458
50.8965
54.5216
58.
61.8858
65.5975
69.3380
光通量Φ/lm
94.57
101.41
107.89
113.90
119.99
125.48
131.14
136.26
141.44
146.69
发光效率η/(lmW-1)
2.59
2.53
2.47
2.41
2.36
2.30
2.25
2.20
2.16
2.12
注:
发光效率
由表2可知,在不一样输入功率下,LED发光效率伴随输入功率增加逐步减小。
以下作出η~P曲线并分析。
图13绿光LEDη~P特征曲线
利用Origin指数衰减功效拟合绿光LEDη~P数据得到:
相关系数R2=0.99359,较靠近于1,说明试验所得η~P数据较靠近于指数衰减关系。
所以能够得出结论,绿光LED发光效率伴随输入功率增加展现指数衰减。
而引发指数衰减原因关键就是LED热效应,输入电功率转化为热。
表3红光LED光通量Φ与正向电流、正向电压关系
正向电流I/mA
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
正向电压U/V
1.6350
1.6619
1.6845
1.6998
1.7130
1.7225
1.7316
1.7410
1.7482
1.7517
功率P/mW
0.0000
1.6619
3.3690
5.0994
6.8520
8.6125
10.3896
12.1870
13.9856
15.7653
光通量Φ/lm
0.14
0.36
0.75
1.13
1.50
1.88
2.19
2.55
2.90
3.28
发光效率η/(lmW-1)
/
0.2166
0.2226
0.2216
0.2189
0.2183
0.2108
0.2092
0.2074
0.2081
正向电流I/mA
10.0
11.0
12.0
13.0
14.0
15.0
16.0
17.0
18.0
19.0
正向电压U/V
1.7639
1.7710
1.7775
1.7839
1.7903
1.7916
1.8023
1.8079
1.8143
1.8198
功率P/mW
17.6390
19.4810
21.3300
23.1907
25.0642
26.8740
28.8368
30.7343
32.6574
34.5762
光通量Φ/lm
3.59
3.94
4.23
4.55
4.93
5.10
5.36
5.60
5.90
6.13
发光效率η/(lmW-1)
0.2035
0.2022
0.1983
0.1962
0.1967
0.1898
0.1859
0.1822
0.1807
0.1773
注:
发光效率
由表3数据可知,红光LED和绿光LED一样,在不一样输入功率下,LED发光效率伴随输入功率增加逐步减小。
对比表2和表3数据可知,红光LED与绿光LED在通入一样大正向电流条件下,红光LED功率比绿光LED小,光通量也比绿光小。
在试验中我们能够直观地观察到在相同正向电流下,红光LED亮度较小。
依据表3数据作出红光LEDη~P曲线以下图:
图13红光LEDη~P特征曲线
利用Origin指数衰减功效拟合红光LEDη~P数据得到:
相关系数R2=0.9646,较靠近于1。
.说明试验所得η~P数据较靠近于指数衰减关系。
故可知,红光LED与绿光LED一样,发光效率伴随输入功率增加展现指数衰减。
而引发指数衰减原因关键就是LED热效应,输入电功率转化为热。
【问题讨论】
1.为何LED发光强度测量值(cd)不能转换成光通量(lm)?
答:
LED发光强度通常是指法线方向上发光强度。
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1lm)时,则称其发光强度为1坎德拉(candela),符号为cd。
发光强度概念要求光源是一个点光源,或者要求光源尺寸和探测器面积与离光探测器距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)
LED光源发射辐射通量中能引发人眼视觉那部分,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能引发人眼视觉辐射通量。
光通量测量是整个空间,需要经过积分球来测得。
因为LED在各个立体角发光强度是不一样,所以不能它测量值不能转换成光通量。
只有当光源在全空间发光强度一致时,才能够经过公式Φ = 4πI。
2.有哪些方法能够提升LED发光强度?
答:
发光强度=光通量÷立体角,所以要提升LED发光强度要从增大光通量和减小立体角入手。
要增大光通量则需增大发出光功率;要减小立体角则需减小LED发出光发散角,故要开发出高功率、低发散角LED,以提升其发光效率。
【参考文件】
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、《
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- LED 特性 测量 实验 报告
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)