LED综合特性实验仪实验指导书教学文案.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED综合特性实验仪实验指导书-ZKY-LEDLED特性实验仪实验指导及操作说明书成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段9号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685243932传真：（028）85247006网址；WWW.ZKY.CnE-mail:ZKYZKY.CnLED特性实验仪1962年，通用电气公司的尼克何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一只发光二极管LED(LightEmittingDiode)，LED早期主要作为指示灯使用。20世纪80年代

2、，LED的亮度有了很大提高，开始广泛应用于各种大屏幕显示。1994年，日本科学家中村秀二在氮化镓GaN基片上研制出第一只蓝光LED，1997年诞生了蓝光芯片加荧光粉的白光LED，使LED的发展和应用进入了全彩应用及普通照明阶段。LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小，耗电量低，易于控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点，其主要应用领域包括照明：在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED照明是节能环保的重要途径。在国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要中，“高效节能，长寿命的半导体照明产品”被列入国家中长期规划第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能

3、）。2006年10月，国家863计划“半导体照明工程”正式启动。普通照明用的白炽灯虽价格便宜，但光效低（1224流明/瓦），寿命短（平均1500小时）已被欧盟禁止使用。荧光灯的光效（50120流明/瓦）高，寿命（平均6000小时）较长，但靠汞蒸汽放电发光，而汞对人体有严重的毒害作用，污染环境。白光LED的光效已达到50流明/瓦，实验室水平已超过200流明/瓦，寿命平均50000小时，从综合性能看已是最好的照明光源。虽然目前价格较高阻碍了LED在普通照明领域大规模推广，但依据芯片产业的发展规律，随着技术进步与规模扩大，成本将会迅速降低，不久LED照明将会取代普通照明方式。大屏幕显示：LED显示屏

4、显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，同时具有耗电低，易于控制，寿命长等优点，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。液晶显示的背光源：液晶显示器目前在中小屏幕显示方面占据大部分市场，液晶矩阵元只对光线起开关控制作用，必需有背光源照明才能显示图像，色彩。

5、由于LED体积小，耗电低，寿命长的优点，手机，数码相机，笔记本电脑，MP3/4等便携设备的液晶屏都采用LED做背光源。由于价格因素，早期大屏幕液晶屏是采用CCFL荧光灯管做背光源，随着LED的价格下降，且采用LED做背光源可使显示屏色彩表现力更丰富，亮度和白平衡易于控制，目前大屏幕液晶屏已竞相采用LED做背光源。装饰工程：城市的夜空，各种装饰性，广告性的灯具闪烁发光，曾经的霓虹灯已退出历史舞台，取代它的是组合、控制方便，表现力丰富的LED灯具。景观照明中的一个亮点是LED与太阳能的结合，白天利用造型灯具中的太阳能电池发电，晚上利用太阳能发电的能量点燃灯具，实现了装饰照明与节能环保的和谐统一。其

6、它：如交通信号灯，公共场所的各种指示灯，光纤通信的光源，汽车上的各种内部照明灯，仪表指示灯，仪器上的数码显示管，都大量采用LED。实验目的通过实验测试各种LED特性，分析实验结果，从而进一步了解LED工作原理及相关应用。(1)测量LED的伏安特性(2)测量LED的电光转换特性(3)测量LED输出光空间分布特性实验原理发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散，P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。

7、势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，从而在PN结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。发光二极管发射光谱的中心波长，由组成P-N结的半导体材料的禁带能量所决定，采用不同的材料及材料组分，可以获得发射不同颜色的发光二极管。

8、LED的光谱线宽度一般有几十纳米，可见光的光谱范围是400700纳米，白光LED一般采用三种方法形成。第一种是在蓝光LED管芯上涂敷荧光粉，蓝光与荧光粉产生的宽带光谱合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。第3种是紫外LED加3基色荧光粉，3基色荧光粉的光谱合成白光。实验仪器LED实验装置如图2所示。实验装置由LED光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实验仪及LED组件盒组成。LED组件可以方便的安装LED光发射器上，共提供红色，绿色，蓝色，白色4种高亮LED和红色，绿色，蓝色，白色4种功率LED，功率LED的输出光更强，空间分布

9、角大。LED光发射器可以旋转并由刻度盘指示旋转角度，方便测量LED输出光空间分布特性。照度检测由光电池将LED输出的光信号转换成电信号后，由照度表显示。激励电源有稳压与稳流两种输出模式，目前的实验内容采用稳压模式，稳流模式为以后扩展实验预留。在稳压模式下，选择036伏档,控制器向LED输出反向电压。选择04伏档,控制器向LED输出正向电压。输出调节旋纽可以调节输出的电压值。测试控制器提供电压换向，过压报警，输入输出信号的转接等功能。实验仪上有电压，电流，照度3个表头，是读取实验数据的窗口，每个表头都带有量程切换按键。各部分的连线仪器上都有标示，按标示连接即可。使用时应注意，只有在电源输出为0时

10、（电源调节旋纽逆时针旋转到底），才可进行：切换电源和实验仪的档位、更换LED组件、开启、关闭电源。否则易导致电源或仪器损坏。实验内容与步骤测量原理如图3所示：电压，电流，照度3只表都装在LED综合特性实验仪上。调节激励电源的输出调节旋纽，可以改变LED驱动电源的输出电压或电流。LED两端电压由电压表读出，流经LED的电流由电流表读出，LED输出光强经光探头接收后由照度表读出。1、测量LED的伏安特性伏安特性反映了在LED两端加电压时，电流与电压的关系，如图4所示。在LED两端加正向电压，当电压较小，不足以克服势垒电场时，通过LED的电流很小。当正向电压超过死区电压（图4中的正向拐点）后，电流随

11、电压迅速增长。正向工作电流指LED正常发光时的正向电流值，根据不同管子的结构和输出功率的大小，其值在几十毫安到1安之间。正常工作电压指LED正常发光时加在二极管两端的电压。允许功耗指加于LED的正向电压与电流乘积的最大值，超过此值，LED会因过热而损坏。LED的伏安特性与一般2极管相似。在LED两端加反向电压，只有微安极的反向电流。反向电压超过击穿电压（一般为几十伏）后，管子被击穿损坏。为安全起见，激励电源提供的最大反向电压低于击穿电压。2、测量LED的电光转换特性图5反映发光二极管的驱动电流与与输出照度的关系。发光二极管输出照度值与驱动电流近似呈线性关系。这是因为驱动电流与注入PN结的电荷数

12、成正比，在复合发光的量子效率一定的情况下，输出照度与注入电荷数成正比。测量伏安特性与电光转换特性：电源输出调节旋纽反时针旋转到底，此时输出电压电流为0。注意：只有在电源输出为0时，才可进行：切换电源和实验仪的档位、更换LED组件、关闭电源。否则导致电源或仪器损坏。将待测的LED安装在LED发射器上，调节发射器位置，使其正对接收探头。将照度检测探头至LED的距离调节到20厘米。调节探头的高度和角度，使其正对LED。输出模式选择稳压，电源输出档位选择036V。此时控制器上的红色指示灯熄灭，表明加在LED上的为反向电压，测量反向特性。实验仪电压表选择40V档，电流表选择100A档，照度表选择100L

13、X档。记录电源输出为0时照度表的示值，此示值是背景光和探头0位调节误差导致的背景值。记录照度时应扣除背景值。将输出调节旋纽右旋至输出20V，测量反向电流。逐渐减小反向电压，观察反向电流的变化，记录实验数据于表1或表2。反向电压调节到0后，将电源档位切换为04V。此时控制器上的红色指示灯亮，表明加在LED上的为正向电压，测量正向特性。实验仪电压表选择4V档，若测量高亮LED的正向特性，电流表选择40mA档，实验数据记入表1。不同颜色，不同材料，不同工艺的LED管死区电压差别较大，而允许的最大电流相近。故越过死区电压后，将电流调节到某些值，记录相应的电压和照度。测量完一只管子后，将电源调节到输出为

14、0，更换LED组件，重复以上的测量。实验仪电压表选择4V档，若测量功率LED的正向特性，电流表选择400mA档，实验数据记入表2。表1高亮LED伏安特性与电光转换特性的测量LED型号测量结果照度背景值：红色高亮电压(V)-20-1000.61.2电流(mA)0.10.20.5124816照度(LX)绿色高亮电压(V)-20-1000.81.6电流(mA)0.10.20.5124816照度(LX)蓝色高亮电压(V)-20-1000.81.6电流(mA)0.10.20.5124816照度(LX)白色高亮电压(V)-20-1000.81.6电流(mA)0.10.20.5124816照度(LX)根据实

15、验数据，画出4只高亮LED管的伏安特性及电光转换特性曲线，并与图4，图5比较。表2功率LED伏安特性与电光转换特性的测量LED型号测量结果照度背景值：红色功率电压(V)-18-900.61.2电流(mA)1248163264128200照度(LX)绿色功率电压(V)-18-900.81.6电流(mA)1248163264128200照度(LX)蓝色功率电压(V)-18-900.81.6电流(mA)1248163264128200照度(LX)白色功率电压(V)-18-900.81.6电流(mA)1248163264128200照度(LX)根据实验数据，画出4只功率LED管的伏安特性及电光转换特性

16、曲线，并与图4，图5比较。3、测量LED输出光空间分布特性发光二极管的芯片结构及封装方式不同，输出光的空间分布也不一样，图6给出其中两种的分布特性。图6的发射强度是以最大值为基准，此时方向角定义为零度，发射强度定义为100。当方向角改变时，发射强度相应改变。发射强度降为峰值的一半时，对应的角度称为方向半值角。（a）A型管（加装透镜）（b）B型管图6两种发光二极管的角度特性曲线图发光二极管出光窗口附有透镜，可使其指向性更好，如图6（a）的曲线所示，方向半值角大约为7左右，可用于光电检测，射灯等要求出射光束能量集中的应用环境。图6(b)所示曲线为未加透镜的发光二极管，方向半值角大约为50，可用于普

17、通照明及大屏幕显示等要求视角宽广的应用环境。LED输出光空间分布特性测试测量高亮LED，驱动电流保持在16mA。松开LED光发射器底部的锁紧螺钉，缓慢旋转发射器，观察照度的变化，以照度最大处对应的角度为0角度。若此时角度示值不为0，记录该0差，以后的角度读数减去0差，才是实际转动角度。对高亮LED，每隔2度测量一次照度的变化，实验数据记入表3。测量完一只管子后，将电源调节到输出为0，更换LED组件，重复以上的测量。对功率LED，测量方法与高亮LED相同，驱动电流保持在128mA，每隔10度测量一次照度的变化，实验数据记入表4。表3高亮LED输出光空间分布特性测量LED型号测量结果红色高亮角度(

18、度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)绿色高亮角度(度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)蓝色高亮角度(度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)白色高亮角度(度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)画出高亮LED输出光空间分布特性曲线。表4功率LED输出光空间分布特性测量LED型号测量结果红色功率角度(度)-70-60-50-40-30-20-10010203040506070照度(LX)绿色功率角度(度)-70-60-50-40-30-20-10010203040506070照度(LX)蓝色功率角度(度)-70-60-50-40-30-20-10010203040506070照度(LX)白色功率角度(度)-70-60-50-40-30-20-10010203040506070照度(LX)画出功率LED输出光空间分布特性曲线。【注意事项】只有在电源输出为0时（电源调节逆时针旋转到底），才可切换电源和实验仪的档位，更换LED组件，开启、关闭电源，否则导致电源或仪器损坏。-