文档介绍：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 ,光度测量一、实验原理概述 1. 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 2. 发光二极管的主要特性 a) 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。 b) 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 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 c) 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。 d) 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 ) 的圆入射孔径, LED 面向探测器放置,并且要保证 LED 的机图4 积分球结构示意图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 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(