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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h，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
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 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A
316mm
0.001sr
2°
窄视角LED
标准条件B
100mm
0.01sr
6.5°
一般LED
e) 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。
f) 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：
其中，分别是发光二极管的正向电流和正向电压，ΦV为光通量。
g) 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。
h) 正向工作电压VF：正向工作电压是在给定的正向电流IF下得到的。一般是在IF =20mA 时测得的.
i) 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VR = -5V 时，反向漏电流 IR <10μA。
j) 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。

图 5 V-I特性测量电路（左）与P-I特性测量电路（右）
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5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。
二、 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
三、 实验步骤
1. 测量LED发光稳定性。
2. 测量待测LED的光通量，并计算其发光效率。
3. 测量LED的发光强度，V-I特性曲线以及P-I特性曲线。
四、 实验数据处理及结果分析
1. 测量LED发光稳定性，点亮绿光LED进行预热，调节正向电流为30mA，每2min记录一次积分球读数:，数据如下表2：
表格 2 绿光LED稳定性记录表
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Фv/lm
2.21
2.21
2.22
2.22
2.22
2.22
2.22
2.22
2.22
2.22
调节正向电流39mA，测量蓝光LED的发光稳定性，数据如表3：
表格 3 蓝光LED稳定性记录表
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Фv/lm
0.63
0.63
0.63
0.63
0.63
0.63
0.64
0.64
0.64
0.64
调节正向电流48mA，测量白光LED发光稳定性，数据记录如表4
表格 4白光LED稳定性记录表
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Фv/lm
5.11
5.09
5.09
5.09
5.08
5.08
5.08
5.07
5.07
5.07
从表格2与表格3的数据可以看出，绿光LED与蓝光LED分别在30mA和39mA预热电流下，发光稳定。两份数据中都出现了一次细微的上升，这主要是电源在调节后一段时间才稳定下来导致的。但从表格4中，可以发现白光LED在预热电流48mA下与前面绿光LED和蓝光LED所表现出来的稳定发光截然不同，白光LED随着通电时间增长，光通量开始降低。这是应该是预热电流取值较大导致的，电流较大导致器件热效应变大，使得器件温度上升，而LED发光效率与温度是负相关的关系，因此，出现了光通量逐渐减小的现象。
2. 测量绿光，蓝光，白光LED的V-I特性，以及发光效率。
将绿光LED安装在积分球中，调节正向电压，并记录正向电流和积分球得到的光通量值。数据记录如下表5：
表格 5 绿光LED记录表
U/V
0
1
2
2.5
2.7
2.8
2.91
3.01
I/mA
0
0
0
0
0
0
1
3
Фv/lm
0
0
0
0
0.05
0.17
0.38
0.71
P/mW
0
0
0
0
0
0
2.91
9.03
h/lm/W

130.58
78.63
U/V
3.06
3.12
3.17
3.22
3.26
3.32
3.37
3.4
I/mA
5
9
13
18
23
30
37
44
Фv/lm
0.91
1.18
1.43
1.73
1.98
2.24
2.52
2.73
P/mW
15.3
28.08
41.21
57.96
74.98
99.6
124.69
149.6
h/lm/W
59.48
42.02
34.70
29.85
26.41
22.49
20.21
18.25
*发光效率h=Фv/IU
从表格5中可以看出，当电压达到某个阈值时，开始出现电流，LED开始工作，图6为绿光LED的U-I特性曲线。

图 6 绿光LED U-I特性曲线
图6中拟合曲线方程为：I=2.72×10-7×expU0.179-1(mA)
根据理论，在一定简化假设情况下，肖克利方程（Shockley Equation）给出了一般二极管流过PN结的电流与两端电流的关系为
iD=IsexpquDkT-1=IsexpuDUT-1
式中，q为电子电荷量， q=1.60×10-19C；k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；T为热力学温度。[1]
可见，拟合出来的曲线与肖克利方程有相同的形式，但是常温下，肖克利方程给出的UT=26mV，与实验中得出的179mV差距很大。这是因为肖克利方程适用的是一般二极管，一般二极管只有少量电子空穴复合，电子空穴主要是充当载流子。而发光二极管中，电子空穴不仅要充当载流子更要发生复合，对外辐射光子。因此对应的“温度电压当量”（暂称为电压系数）会远大于一般二极管对应的温度电压当量，并且发光二极管的温度电压当量取决于发光波长以及制作工艺。
对蓝光LED进行相同的操作，数据记录如表6
表格 6 蓝光LED记录表
U/V
0
2.52
2.71
2.81
2.91
3.01
3.06
3.12
I/mA
0
0
0
1
2
7
9
12
Фv/lm
0
0
0
0.04
0.09
0.17
0.21
0.26
P/W
0
0
0
2.81
5.82
21.07
27.54
37.44
h

6.94
U/V
3.16
3.22
3.26
3.31
3.37
3.41
3.46
3.5
I/mA
14
17
21
25
29
34
39
43
Фv/lm
0.31
0.36
0.41
0.46
0.52
0.57
0.64
0.67
P/W
44.24
54.74
68.46
82.75
97.73
115.94
134.94
150.5
h
7.01
6.58
5.99
5.56
5.32
4.92
4.74
4.45
*发光效率h=Фv/IU
作出U-I特性曲线如下图：

图 7 蓝光LED U-I特性曲线
图7中曲线拟合方程为：I=1.56×10-4×expU0.278-1(mA)；相关系数R2=0.9868。与绿光LED的U-I特性曲线进行对比，可以发现两者均符合指数上升规律，但蓝光LED对应的电压系数要比绿光LED要大。
再对白光LED进行同样分析，数据记录于表7
表格 7白光LED数据记录表
U/V
0
2.5
2.6
2.71
2.81
2.91
3.01
3.06
I/mA
0
0
0
0
0
2
4
5
Фv/lm
0
0
0.03
0.12
0.35
0.67
1.1
1.33
P/W
0
0
0
0
0
5.82
12.04
15.3
h/lm/W

U/V
3.12
3.16
3.22
3.27
3.32
3.37
3.41
3.46
I/mA
8
9
12
14
16
20
22
25
Фv/lm

2.21
2.48
2.78
3.09
3.37
3.66
P/W
24.96
28.44
38.64
45.78
53.12
67.4
75.02
86.5
h /lm/W
65.71
67.16
57.19
54.17
52.33
45.85
44.92
42.31
U/V
3.51
3.56
3.61
3.67
3.72
3.77
3.81

I/mA
28
31
35
38
41
44
46

Фv/lm
3.91
4.16
4.36
4.62
4.79
4.96
5.12

P/W
98.28
110.36
126.35
139.46
152.52
165.88
175.26

h /lm/W
39.78
37.69
34.51
33.13
31.41
29.90
29.21

作出U-I特性曲线如下：

图 8 白光LED伏安特性曲线
图8中拟合曲线方程为：I=5.39×10-3×expU0.416-1(mA),相关系数R2=0.9664。白光LED与蓝光，绿光LED相似，伏安特性具有指数上升规律，但白光LED对应的电压系数比蓝光与绿光都要大。
综上，三种颜色的LED，具有类似的伏安特性。原因在于LED（light emitting diode）本质上是一种二极管，所以会具有二极管的伏安特性。而从上面拟合出来的伏安特性曲线可以猜测，拟合方程中的电压系数与发光波长呈负相关，与发光效率呈正相关。
下面作出3种LED对应的发光效率h与电流I的关系图，从表中出现光通量不为0，而电流为0的情况可以知道电流表灵敏度较低，应用公式计算发光效率，在低电流情况下，应会出现较大误差。因此在作出发光效率与电流之间的关系时，舍去i<10mA的数据点。下面作出h-I曲线（图9）：

图 9 三种LED的h-I曲线
从图9可以清晰看出，白光LED的光效率最大，绿光LED第二，蓝光LED光效最低。图中分别对3种LED的h-I数据进行拟合，发现三种LED均存在相关系数很高的指数衰减拟合，三种LED对应的拟合曲线方程如下：
绿光LED ：η=14.45+40.47×exp-0.053×Ilm/W ，相关系数R2=0.9995；
蓝光LED ：η=3.81+6.67×exp-0.053×Ilm/W ， 相关系数R2=0.9960；
白光LED ：η=18.86+60.65×exp-0.038×Ilm/W ，相关系数R2=0.9976；
对于发光效率h随电流的增大而呈现出指数衰减的特点，仍是LED领域一个重要的方向，目前关于它的成因还没有一个定论模型，主要认为它是由于（1）载流子泄露；（2）空穴注入效率低；（3）Auger复合等原因造成。[2] 现阶段认为载流子泄露机制在其中起重要作用。但造成载流子泄露的机制比较复杂，载流子泄露电流与注入电流之间关系有一个经验公式：
Jleak=a×Jinjb
这是导致发光效率随电流增大而呈现出指数衰减的现象一个可能的解释。
3. 测量三种LED的P-I特性曲线以及光强空间角度分布
实验电路光路如下图：

图 10 实验电路光路图
实验中并没有采用CIE提供的平均光强测试标准条件，但实验主要考察三种LED的P-I关系的异同，故不采用标准条件影响不大。实验数据记录如表格8：
表格 8 三种LED平均光强记录表
绿光
I/mA
0
1
1
3
5
7
11
15
19
24
31
P/mW
0
0
45
109
207
276
352
444
530
616
695
I/mA
37
48
63

P/mW
762
773
780

蓝光
I/mA
1
2
4
4
6
9
11
13
18
19
27
P/mW
6
17
45
42
66
89
104
124
157
175
208
I/mA
30
28
34
38

P/mW
222
228
251
262

白光
I/mA
1
1
2
4
6
7
10
11
14
16
19
P/mW
6
29
83
159
206
256
314
370
430
484
543
I/mA
21
24
27
30
33
36
39
42
46
50

P/mW
603
656
700
744
795
835
878
914
946
984

分别做的P-I曲线如下：

图 13 白光LED P-I特性曲线
图 12 蓝光LED P-I特性曲线
图 11 绿光LED P-I特性曲线
从图11到13可以定性的观察到在电流较小的时候，轴向平均光强与电流接近线性，但随着电流的继续增大，平均光强的增长开始减缓，到最后几乎不增长。
这种现象的原因首先是之前所提到的载流子泄露产生漏电流造成的影响，实际工作电流小于注入电流，而且随着注入电流的增大，漏电流占的比重也越大。使得发光效率降低，从而使P-I脱离线性。
其次还有电流越大，电子空穴复合效率越低，最终复合趋于饱和等原因。
最后是LED光强空间角度分布。三种LED数据记录如下表：
表格 9 LED光强角度分布表
绿光
θ/°
47
57
67
77
81
85
87
89
90
P/mW
3
7
16
106
235
430
544
652
694
θ/°
91
93
95
97
101
105
107
117
137
P/mW
689
607
462
338
189
85
60
10
0
蓝光
θ/°
64
68
72
76
78
80
82
84
86
P/mW
8
10
13
21
28
37
55
86
133
θ/°
88
90
92
94
96
98
100
102
104
P/mW
180
198
182
146
111
87
41
29
21
θ/°
106
108
110
112
114
116
120

P/mW
19
17
14
11
8
6
5

白光
θ/°
52
72
76
78
80
82
84
86
88
P/mW
16
32
40
133
150
357
405
576
725
θ/°
90
92
94
96
98
100
102
104
106
P/mW
794
788
706
553
384
254
154
90
50
θ/°
110
130

P/mW
34
16

表中角度是以LED轴向为90°进行转化的。为了形象分析，将上表数据在极坐标上，角度为极角，光强为极径作图得：
图 14 绿光LED光强角度分布图
图 15 绿光LED光强角度分布图

图16 白光LED光强角度分布图
从上面三幅图可以形象的看出，样品LED封装时设有反射腔，光强只集中在轴向范围的一个小角度里，全角大概为20°。另外可以看出白光LED轴向附近的曲线比较饱满，这可能是由于白光LED使用了荧光粉，而荧光粉发光方向不一致，封装后的反射腔不能很好的使它汇聚。

五、 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：两者定义完全不同。LED的发光强度是指轴向单位立体角里面的光通量。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。而光通量的定义只是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。
两者的区别在于发光强度强调的是指定方向单位立体角里的光通量，是具有方向性的。如果被测光源各个方向上的发光强度相同，如余弦发光体，那么光通量跟发光强度之间只相差一个系数。但很明显，LED发光强度并不均匀，因此发光强度不能转换为光通量。
2. 有哪些方法可以提高LED的发光强度？
答：从定义上可以看出，发光强度是指指定方向单位立体角里面光通量，若把LED的光通量尽可能的集中在指定方向上便可以提高LED在该方向上的发光强度；另外，如同实验结果P-I曲线所显示的，增大电流也可以增加总的光通量，同时可以使发光强度变大。
六、 参考文献
[1]王金矿，李心广，张晶，等. 电路与电子技术基础（M）. 北京：机械工业出版社，2008
[2]Joachim Piprek. Efficiency droop in nitride-based light-emitting diodes (J). Phys. Status Solidi A 207, No. 10, 2217-2225(2010)
[3] 《发光二极管》，[日]青木昌治，人民邮电出版社，1981陆大成等
[4]《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
[5]《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
[6]Commission Internationale de VEclairage, Measurement of LEDs, Publication CIE 127-1999