LED特性测量 实验报告

LED 特性及光度测量实验

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：通过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，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。本文记录了红光LED 和绿光LED 的电流、电压、功率和光通量测量数据，以此研究探讨LED 发光器件的发光特性。

关键词：LED V －I 特性 P －I 特性 光度

Measurement of the characteristics and luminosity of LED

Sujianbang A8 ID: 08323016

School of Science and Engineering of SUN YAT-SEN University

Postal code: 510275

Abstract: This essay study the optical and electric characteristics of LED by measuring it ’s

V -I curve and P-I curve. In this essay, data of electric current, voltage, power and luminous flux of LED are recorded in order to study its characteristics.

Keyword: LED, V-I characteristic, P-I characteristic, luminosity

【实验原理】

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（如图一）。

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。

图2、常规InGaN / 蓝宝石LED 芯片剖面图

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3（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e ΔV 的势垒，阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图3（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

电子的电势能）

子的电势能）

）

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3、发光二极管的工作原理 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（1）体积小（2）耗电量低（3）使用寿命长（4）高亮度、低热量。（5）环保（6）坚固耐用。

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。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。

（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(亮度为3cd/m 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4

2

示，其中V ’(λ) 为暗视觉条件(亮度为0.001cd/m 以下) 下的光谱光视效率。

2

图4 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5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

探

图5 积分球结构示意图

测 器

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5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(λ) 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。

（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。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。

（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。

发光效率：ηV =

ΦV I F V F

其中I F ，V F 分别是发光二极管的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。

（7） 正向工作电压V F ：正向工作电压是在给定的正向电流I F 下得到的。一般是在I F =20mA 时测得的.

（8） V －I 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V －I 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V R = -5V 时，反向漏电流 I R

（9） P －I 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

可调稳流 电压源

图6 LED V－I 特性测试电路图

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P

可调稳流 电流源

图7 LED P－I 特性测试电路图 图8 LED P－I 特性测试装置图

－I 特性。

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d ＝100mm ，探测器接收面直径a ＝11.3mm 。

【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（Φ＝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

【实验注意事项】

（1）标准光的供电电流不能超过其标定电压，以免烧坏。为防止标准光源的供电电源开路电压过大，在装灯、卸灯时须将电源的输出调至最小，或关闭。

（2）标准光源发光时，灯丝脆弱，受到震动容易断裂。因此，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)标准光源一般采用恒流式点燃，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 特性和LEDP-I 特性测量时，工作电压严禁超过4V ，避免烧坏。 【实验内容及操作步骤】

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。 校零：

a. 将精密稳流稳压电源与光度计连接起来，并把Photo －2000J 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 －2000J 光度计后面板上的钥匙拨至“CAL ”，即垂直方向； d. 按下Photo －2000J 光度计前面板上的校零键“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，校零完毕。

定标：

e. 打开精密稳流稳压电源，慢慢调大电流至标准光源的标定电流（如果标准光源产品检定报告上所写的是标定电压，则请调至标定电压），约稳定5分钟； f. 按一次Photo －2000J 光度计前面板上的定标键“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 检定报告上的标定光通量。（可用“＞”键选择输入的位置，“∧”键改变闪烁位置的取值），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的标定值，完成定标。

2．替换标准光源为待测的LED ，测量其光通量，计算发光效率。

g. 慢慢将电压调至零，标准光源逐渐熄灭，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 －2000J 光度计后面 板上的钥匙拨至“TEST ”，即水平方向；

h. 慢慢增大稳流稳压电源的输出电压至3.5V ，记录此时的输出电压，电流值以及光度计上显示的光通量，计算LED 此时的发光效率； i. 更换其余的LED 样品，重复步骤ⅷ。

3．测量LED V－I 特性曲线以及P －I 特性曲线。

a ．连接测量电路和架设光路（测量V-I 特性按照图6，测量P-I 特性按照图8和图9），注意LED 正负不能接反，并把可调稳流电流源的电流档和电压压档调到最小； b ．检查电路，确认无误后打开可调稳流电流源的开关。适当调大电流源的输出电流和电压，让LED 发光以便调准光路，保证LED 在探测器接收圆面的轴线上，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，记录下每一组电流、电压值及其对应的光强，注意电压值不宜超过3.8V 。作出LED V－I 特性曲线以及P －I 特 d ．更换其余的LED 样品，重复以上步骤步骤。

【实验数据处理及结果分析】 1、 V －I 曲线和P －I 曲线的测量

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。根据CIE127-1997标准，在实验中取LED 到探测器端面距离d ＝10cm 。同时进行的还有LED 的V －I 曲线的测量，测量电路图如图4。

实验中，我们分别测量了绿光和红光两种LED 的V －I 、P －I 特性，测得的数据如表1所示：

表1 绿光和红光LED V-I 、P-I 特性数据

LED 的PN 结有内建电场，在LED 工作时有一定的开启电压，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的仪器灵敏度有关，当LED 有微弱的正向电流时，虽然有实际的输入功率，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。这特性在I －V 曲线和P －I 曲线有更直观的体现。

根据表1数据，可作得绿光和红光LED 的I －V 曲线和P －I 曲线如下：

图9 绿光LED 的I~V特性曲线

对绿光LED 的I~V特性曲线作指数拟合，得到的关系式是：

I =2. 42705⨯10

-5

e

V /0. 25661

(mA ) ，

相关系数R 2=0.99388，比较接近于1，说明I~V关系非常接近指数增长关系。由图9知，绿光LED 的阈值电压大概为2.88V 左右。当输入的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。当输入电压超过阈值电压时，电路的正向电流是剧烈增加的，增长几乎是按指数规律的。根据Shockley 理论, 对于一个散射面积为A 的二极管, 其电流电压

⎛关系为: I =eA

⎝

D P n i

2

τ

p

N D

+

2

⎛eV ⎫D n n i ⎫⎪ e kT -1⎪，其中，D p,n ，τ

⎪τn N A ⎪ ⎝⎭⎭

p,n 分别为空穴和电子的

扩散系数和寿命，与图 9特性一致。

图10 绿光LED 的P~I特性曲线

对绿光LED 的P~I特性曲线作指数拟合，得P=0.01308+0.01629I(mW)。相关系数R=0.99117，非常接近1，说明P~I呈良好的线性关系。

图11 红光LED 的I~V特性曲线

对红光LED 的I~V特性曲线作指数拟合，得到的关系式是：

I =1. 29187⨯10

2

-7

e

V /0.. 104

(mA ) ，

相关系数R =0.97855，比较接近于1，说明I~V关系比较接近指数增长关系。由图1知，红光LED 的阈值电压大概为1.75V 左右，比绿光LED 的小。由图11及数据分析知，红光LED 与绿光LED 一样，当输入的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。当输入电压超过阈值电压时，电路的正向电流是剧烈增加的，增长几乎是按指数规律的，I~V特性仍然满足Shockley 理论关系式。

图12 红光LED 的P~I特性曲线

对红光LED 的P~I特性曲线作指数拟合，得P=0.00785+0.00815I(mW)。相关系数R=0.9929，非常接近1，说明P~I呈良好的线性关系。与绿光LED 的P~I数据对比可知，在通入相同电流的条件下，红光LED 的功率比绿光LED 的功率小。

2、 红绿光LED 光通量与功率关系的测量

前文提到过，实验中，输入正向电压比较小的时候，测量得到的电流为零。为方便

分析不同输入功率下的光通量情况，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 的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

注：发光效率η=

P

由表2可知，在不同的输入功率下，LED 发光效率随着输入功率的增加逐渐减小。以下作出η~P曲线并分析。

图13 绿光LED 的η~P特性曲线

利用Origin 的指数衰减功能拟合绿光LED 的η~P数据得到：

η=1.5017+1.99267exp (-2

)

59. 76179

P

相关系数R =0.99359，较接近于1，说明实验所得的η~P数据较接近于指数衰减关系。所以可以得出结论，绿光LED 发光效率随着输入功率的增加呈现指数衰减。而引起指数衰减的原因主要就是 LED 的热效应，输入的电功率转化为热。

表3红光LED 光通量Φ与正向电流、正向电压关系

注：发光效率η=

P

由表3数据可知，红光LED 和绿光LED 一样，在不同的输入功率下，LED 发光效率随着输入功率的增加逐渐减小。对比表2和表3的数据可知，红光LED 与绿光LED 在通入同样大的正向电流的条件下，红光LED 的功率比绿光LED 的小，光通量也比绿光的小。在实验中我们可以直观地观察到在相同正向电流下，红光LED 的亮度较小。根据表3数据作出红光LED 的η~P曲线如下图：

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图13 红光LED 的η~P特性曲线

利用Origin 的指数衰减功能拟合红光LED 的η~P数据得到：

η=-82. 3241+482. 55094p e (x )

60355. 80311

P

相关系数R 2= 0.9646，较接近于1。. 说明实验所得的η~P数据较接近于指数衰减关系。

故可知，红光LED 与绿光LED 一样，发光效率随着输入功率的增加呈现指数衰减。而引起指数衰减的原因主要就是 LED 的热效应，输入的电功率转化为热。

【问题讨论】

1． 为什么LED 的发光强度的测量值（cd ）不能转换成光通量（lm ）？

答： LED的发光强度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)

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。光通量的测量是整个空间的，需要通过积分球来测得。

因为LED 在各个立体角的发光强度是不一样的，所以不能它的测量值不能转换成光通量。只有当光源在全空间的发光强度一致时，才可以通过公式Φ = 4πI 。

2. 有哪些方法可以提高LED 的发光强度？

答：发光强度=光通量÷立体角，因而要提高LED 的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的光的功率；要减小立体角则需减小LED 发出的光的发散角，故要开发出高功率、低发散角的LED ，以提高其发光效率。

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【参考文献】

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, Measurement of LEDs, Publication CIE 127-1999

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