生意经杂志-华南农业大学招生

LED 特性及光度测量实验

（2008新增部分）










中山大学光信息科学与技术实验室

发光二极管特性测量实验

一、 实验目的和内容
1、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。
2、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。

二、实验基本内容
1、概述
50年前人们已经了解半导体材料可产生光 线的基本知识，第一个商用二极
管产生于1960年。LED是英文light emitting d iode（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，所以LED的抗震
性能 好。LED结构图如下面图1所示：

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组 成的芯片。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，< br>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。
钝化层的作用是 保护透明接触层。
N型
电极
P型
电极

图2、常规InGaN 蓝宝石LED芯片剖面图 图3、InGaN LED芯片俯视图

在 p 型半导体和 n 型半
导体之间存在一个过渡层， 称为
＋－
p－n结。跨过此p－n结，电子从
n
（a）p
＋－
＋－
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
电场的图4（a）所示。作为这一相互
扩散的结果，在p－n结处形成了
电
p（b）< br>－
○
eΔV
子
－
○
一个高度的eΔV的势垒，阻止< br>的
－
○
－
○
－
○
－
δ
⊕⊕ ⊕⊕
电子和空穴的进一步扩散，达到
电
○
势
⊕
平衡状态（见 图4（b））。
n
能
⊕
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
－
○
○hν
（c）
电
○
－
○
－
○
－
○
－
p
向 p 区和 n 区。在p－n结处，
子
hν
的
电 子与空穴相遇，复合，电子由
n
⊕⊕⊕
⊕
电
⊕
高能级跃迁到 低能级，电子将多
势
⊕
能
⊕⊕⊕
余的能量将以发射光子的形式
δ’
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。
图4 发光二极管的工作原理
（见图2.1.2（c））。通过材料的
（a） 电子和空穴扩散；
选择可以改变半导体的能带带
（b） 形成势垒；
隙，从而就可以发出从紫外到红
（c） 电子和空穴复合发光
外不同波长的光线，且发光的强
弱与注入电流有关。 例如，由目前流行的第三代半导体材料——GaN所制成的LED
光谱分布很宽，可以从紫外的380< br>nm
，到蓝色的465
nm
，直至翠绿色的525
nm
。

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。主要包括以下方面：
（1）体积小。LED基本上是一块很小 的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非
常的小，非常的轻。
（2）耗电量低。LED耗电 非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6
V
。工作电
流是20-30
mA
。消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
（3）使用寿命长。在恰当的电流和电压下，L ED的使用寿命可达10万小时。比
传统光源寿命长5倍以上。
（4）高亮度、低热量。 < br>（5）环保。LED是冷光源、眩光小，无辐射，由无毒的材料作成，不像荧光灯
含水银会造成污 染，同时LED也可以回收再利用。
（6）坚固耐用。LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯 泡和荧光灯管都
坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

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。峰
值波长在实际应用中其意义并不是十分明显，这是因为即使有两个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。GaN
基发光二极管的光谱射带宽在25至30
nm
范围。
（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
Φ
V
（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
2(亮度为3
cd
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555
nm
上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图5 所示，其中V’(
λ
)为暗
视觉条件(亮度为0.001
cd
m2
以下)下的光谱光视效率。例如一个100 W的灯泡可
产生1500lm，一支40 W的日光灯可产生3500lm的光通量。

图5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
档屏
的测量结果，必须把LED发射的光辐射
探
能量收集起来，并用合适的探测器(应
测
具有CIE标准光度观测者光谱光效率函
器
被测
数的光谱响应)将它线性地 转换成光电
LED
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6。
图6 积分球结构示意图
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6中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
(1683)Wsr（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。由于早期LED的发光强度小，所以发光强度也常用 毫
坎德拉（mcd）作单位。
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)。但是在LED测量
的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是LED
与探测器表面构成的 立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平
方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几 个因素的不同而不同，从而严格地
说并不能测量得到真正的LED的发光强度。
为了 解决这个问题，使测量结果可通用比较，CIE推荐使用“平均发光强度
概念:照射在离LED一定距离 处的光探测器上的通量,与由探测器构成的立体角的
比值。其中立体角可将探测器的面积 S 除以测量距离 d 的平方计算得到。
从物理上看，这里的平均发光强度的概念，与发光强度的概念不 再紧密关联，
而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。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
2
测器有 一个面积为1cm(对应直径为11.3
mm
)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1 CIE平均LED发光强度标准测试条件

LED顶端到探
立体角 平面角（全角）应用
测器的距离d
标准条件A 316mm 0.001sr 2° 窄视角LED
标准条件B 100mm 0.01sr 6.5° 一般LED
实际应用中 ，用得较多的是条件B，它适用于大多数低亮度的LED光源，高亮
度且发射角很小的LED光源应使用 条件A。
（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，我们可以将光源所发的光与
“黑体”辐射的光相比较来 描述它的光色。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。以绝 对
温度（k=℃+273.15）K来表示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色
逐渐 由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白- 蓝变化。如：当黑体加热呈现深红时温
度约为550℃，即色温为550℃ + 273 = 823K。
（5） 发光效率：光源发出的光通量除以所消耗的功率（单位是lmw）。它是衡
量光源节能的重要指标。测得发光二极管的光通量后，就可以进一步经计算获得
LED器件的发光效率 。其计算关系式定义为:

发光效率：
η
V
=
ΦV
I
F
V
F

其中
I
F
，< br>V
F
分别是发光二极管的正向电流和正向电压。
（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。各种类型的光源
其显色指数各不相同。例如：白炽灯的显色指数大于90，荧光灯的 显色指数在60
至90之间。
（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
=20
mA
时测得的。以常见的GaN LED为例，正向工作电压
V
F
在3.2
V
左右。
（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
<10
μ
A
。

＋
－
可调稳流
电压源

mA
V
图7 LED V－I特性测试电路图

（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比例后才能< br>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－I特性。

＋
－
光阑
可调稳流
电流源

A
恒
流
源
d
LED
a
V
图8 LED P－I特性测试电路图 图9 LED P－I特性测试装置图