LED發(fā)光二極管特性測(cè)試

王 悅，李澤深，劉 維

（首都師范大學(xué) 物理系，北京100048）

1 引 言

目前半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）［1］已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于指示燈、儀表顯示、手機(jī)背光源和車載光源等照明領(lǐng)域［2］.本文搭建的LED特性測(cè)試系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綜合性強(qiáng)、耗費(fèi)資金少的優(yōu)勢(shì)，可直接測(cè)量LED的伏安特性、光強(qiáng)分布特性、光譜特性、光功率和電流關(guān)系特性以及發(fā)光效率和電流關(guān)系特性；間接計(jì)算LED的發(fā)光波長(zhǎng)、正常工作電壓和半值角、光通量和發(fā)光效率.這些工作不僅豐富了普物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生理解電子躍遷、空穴的形成以及光強(qiáng)、光照度等基本概念，還可以深入、全面地研究LED的特性.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材包括：精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、照度表、光功率計(jì)、分光計(jì)、直尺、游標(biāo)卡尺、滑線變阻器、萬用表、顏色傳感器、單色分光儀、頻率計(jì)、電路板等；被測(cè)LED有白色圓柱型LED、“食人魚”LED（白光、紅光、綠光和藍(lán)光）.

2.2 設(shè)計(jì)原理與方法

通過如圖1所示的測(cè)量電路，可以測(cè)量LED的伏安特性，以確定LED的閾值電壓、正向電壓、正向電流、正常工作電壓（簡(jiǎn)稱為額定電壓）以及發(fā)光波長(zhǎng).

圖1 伏安特性測(cè)試電路

圖2是測(cè)量LED光強(qiáng)分布的測(cè)試系統(tǒng)，取經(jīng)過LED軸線的測(cè)試平面，用照度表測(cè)量該平面與光源中心等距離弧線上各點(diǎn)光強(qiáng)，以確定光強(qiáng)與LED發(fā)光角度之間的關(guān)系，分析5種LED的光強(qiáng)分布，計(jì)算得到發(fā)光二極管的半值角和指向性.

圖2 光強(qiáng)分布測(cè)試

圖3是用TCS230型顏色傳感器測(cè)LED正常發(fā)光狀態(tài)下的光譜成分的系統(tǒng)圖，將測(cè)試結(jié)果與單色儀測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)參量相比較，檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性；據(jù)此計(jì)算得到峰值波長(zhǎng)，檢驗(yàn)LED的發(fā)光純度.

圖3 光譜成分測(cè)量

圖4是測(cè)量LED的光功率與電流關(guān)系特性的電路圖，通過數(shù)據(jù)分析得到LED發(fā)光一致時(shí)的電流.

圖4 光功率和電流關(guān)系特性測(cè)試

圖5是測(cè)量LED光通量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將照度表的接受面頂端與被測(cè)LED頂端相接觸，通過調(diào)節(jié)電流得到照度表的讀數(shù)，以便分析其不同電流下的發(fā)光效率并做出發(fā)光效率和電流的關(guān)系特性曲線.

圖5 發(fā)光效率和電流的關(guān)系特性測(cè)試

3 測(cè)量結(jié)果與分析

3.1 LED的伏安特性

通過圖1測(cè)量了在常溫下5種顏色LED的伏安特性曲線如圖6所示.LED臨界導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓稱為閾值電壓，根據(jù)圖7中的擬合公式算出擬合直線與橫軸交點(diǎn)得到5種LED的正常電壓，為后續(xù)測(cè)試的正常發(fā)光條件做準(zhǔn)備.根據(jù)公式［3］λ＝［（hc）／e］Ud和上述數(shù)據(jù)，計(jì)算發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)與理論主波長(zhǎng)相吻合.由圖6可知，開始時(shí)LED電流隨電壓變化幾乎不變，大于閾值電壓后，電流隨電壓以104～236mA／V的變化率呈線性增加，其中紅色方形LED的增長(zhǎng)最快，而白色圓形LED的增長(zhǎng)最慢.5種LED的正常工作電壓、閾值電壓和發(fā)光波長(zhǎng)如表1所示.表1顯示除紅色方形的LED以外，其他4種LED的正常電壓、閾值電壓大約分別在3V和2V；紅色方形LED的發(fā)光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，其他4種LED發(fā)光波長(zhǎng)均在500nm左右.

圖6 伏安特性曲線

圖7 正常電壓圖

表1 5種LED的正常電壓、閾值電壓和發(fā)光波長(zhǎng)

3.2 LED的光強(qiáng)分布特性

LED的光強(qiáng)分布測(cè)試結(jié)果如圖8所示.光強(qiáng)分布曲線能恰當(dāng)?shù)胤从彻庠茨芰康目臻g分布狀況.可以從光強(qiáng)空間分布確定5種LED的發(fā)光范圍.實(shí)驗(yàn)所用照度表的傳感器面積是9mm2，測(cè)試半徑為8cm，通過計(jì)算所得數(shù)據(jù)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［4］的測(cè)量LED的光強(qiáng)條件數(shù)據(jù)相吻合，即所測(cè)量的光源可近似為點(diǎn)光源.由測(cè)量結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：方形LED更具有指向性；所有LED在其中央法線處的光強(qiáng)最強(qiáng).常用半值角描述LED發(fā)光分布特性，半值角θ越小所對(duì)應(yīng)的指向性越強(qiáng)（見表2），這可為用戶根據(jù)使用情況選擇二極管提供參考.

圖8 光強(qiáng)分布圖

表2 LED的指向性

3.3 LED的光譜特性

利用TCS230顏色傳感器在暗箱內(nèi)進(jìn)行光譜測(cè)量.本文采用的顏色傳感器是將紅、綠、藍(lán)、透明4組濾光鏡集成，通過光電二極管采集光強(qiáng)，由電路轉(zhuǎn)換為脈沖輸出.利用它測(cè)量了上述5種顏色LED的發(fā)光光譜，并將其測(cè)量結(jié)果與單色儀所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較［5］，判斷顏色傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確狀況.單色儀和顏色傳感器所測(cè)得光譜特性曲線如圖9和10所示，用顏色傳感器所測(cè)得的發(fā)光成分如圖11所示.從測(cè)量結(jié)果可知，顏色傳感器在480～635nm的工作范圍內(nèi)，與單色儀所測(cè)量結(jié)果基本一致.

峰值波長(zhǎng)是描述光譜特性的重要參量［6］.通過實(shí)驗(yàn)可知，紅、藍(lán)和綠LED的峰值波長(zhǎng)在主波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，如表3所示.

圖9 單色儀所測(cè)光譜特性曲線圖

圖10 顏色傳感器所測(cè)光譜特性曲線圖

圖11 顏色傳感器所測(cè)光成分圖

表3 LED峰值波長(zhǎng)比較表

3.4 LED的光功率和電流關(guān)系

光功率是指人眼可以感受到的輻射功率，即LED軸向光強(qiáng)與正向注入電流I的關(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能呈現(xiàn)均一的外觀，所以測(cè)試該性能是非常必要的.實(shí)驗(yàn)中從LED剛開始發(fā)光起，逐漸增加電流，記錄相應(yīng)的光功率計(jì)的數(shù)值P，得到測(cè)試結(jié)果P-I關(guān)系如圖12所示.由圖可知，電流愈大，發(fā)光愈強(qiáng).通過擬合，可以找到一組電流，能夠使5種LED發(fā)光功率相同.

圖12 光功率與電流關(guān)系特性

3.5 LED發(fā)光效率和電流的關(guān)系

發(fā)光效率是指發(fā)光體受激發(fā)時(shí)將吸收能量轉(zhuǎn)換為光能的能力，它是表征發(fā)光體功能的重要參量.實(shí)驗(yàn)測(cè)量了5種LED的光照度E.利用

算出光通量Φ.式中，S是照度表接受器的半球面積，n為L(zhǎng)ED的發(fā)光角度，經(jīng)測(cè)量得到照度表半球面積與照度表接收器的距離d滿足πd2＝S.圖13是計(jì)算原理圖，再利用η＝Φ／P（P＝UI）算出發(fā)光效率η.最后擬合發(fā)光效率和電流的關(guān)系曲線如圖14所示.由圖14可知白方、綠方、白圓、紅方和藍(lán)方發(fā)光效率依次降低，即它們的電能轉(zhuǎn)換為光能的能力依次降低.理論上可知這5種LED的發(fā)光效率都具有先增高后降低的趨勢(shì)，由于電流的逐漸增加，注入發(fā)光區(qū)的電子非輻射復(fù)合的概率變大，所以導(dǎo)致發(fā)光效率減弱［7］.

圖13 照度表接受光原理圖

圖14 發(fā)光效率和電流關(guān)系圖

4 結(jié) 論

使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器，搭建了LED測(cè)試系統(tǒng).該系統(tǒng)原理清晰，測(cè)量方法簡(jiǎn)單.可操作性強(qiáng)，測(cè)量范圍大.實(shí)驗(yàn)測(cè)量的5種LED正常發(fā)光電壓為1～4V，閾值電壓為1.5～3V，發(fā)光波長(zhǎng)與主波長(zhǎng)一致；方形的LED較圓形更具有指向性；每種帶有顏色的LED都非單一顏色的光，但它們的峰值波長(zhǎng)和主波長(zhǎng)相一致.測(cè)試結(jié)果表明，利用顏色傳感器測(cè)試的光譜與單色儀所測(cè)結(jié)果一致；光通量的測(cè)量方法能夠達(dá)到不用積分球等儀器就能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)易的測(cè)量；在一定范圍內(nèi)，5種LED光功率隨著電流的增加而增大，但是它們的發(fā)光效率隨著電流的增加先增加后減少.

［1］馬春雷，鮑超.一種高功率LED熱阻的測(cè)試方法［J］.光學(xué)儀器，2005，27（2）：13-15.

［2］路秋生.LED照明與應(yīng)用［J］.燈與照明，2009，33（4）：24-28.

［3］蔣蕓，鮑麗莎，曹正東.發(fā)光二級(jí)管的特性研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（6）：30-34.

［4］陳瑩梅，劉平安，陸申龍.發(fā)光二級(jí)管基本物理特性測(cè)量及研究［J］.大學(xué)物理，2007，26（8）：49-52.

［5］王巧彬，任豪，羅宇強(qiáng)，等.基于LabVIEW的LED光源的光譜及色度檢測(cè)研究［J］.光學(xué)儀器，2009，31（3）：8-12.

［6］胡德敬，謝嘉祥，曹正東.設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)集錦［M］.上海：上海科學(xué)科技出版社，2002：127-129.

［7］李炳乾.1W級(jí)大功率白光LED發(fā)光效率研究［J］.半導(dǎo)體光學(xué)，2005，26（4）：314-316.