LED特性及光度测量实验.docx

LED特性及光度测量实验 摘要：简述了LED的发光原理与特性，并对绿光、蓝光、白光LED的V-I特性，P-I特性，发光效率?，以及光强的角度分布等光度学特性进行测量，探究LED的发光特性。 关键词：LED，光度测量 实验原理概述 LED结构与发光原理 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（如图1）。 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，如右面的图2（a）所示。作为这一相互扩散的结果，在p－n结处形成了一个高度的eΔV的势垒，阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图2（b））。 当外加足够高的直流电压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。选择可以改变半导体的能带 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。 图 2 发光二极管的主要特性 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。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。 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(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3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。 图 3明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 图 4积分球结构示意图 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4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。基于积分球的原理，图4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。 发光强度：发光二极管的发光强度取决于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。 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)。但在实际中往往没有达到这样的要求，不能严格测出LED的发光强度。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： 表格  SEQ 表格 \* ARABIC 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A316mm0.001sr2°窄视角LED标准条件B100mm0.01sr6.5°一般LED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。人们用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表