目前半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于指示燈、儀表顯示、手機背光源和車載光源等照明領(lǐng)域。本文搭建的LED特性測試系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、綜合性強、耗費資金少的優(yōu)勢，可直接測量LED的伏安特性、光強分布特性、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;間接計算LED的發(fā)光波長、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驗的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生理解電子躍遷、空穴的形成以及光強、光照度等基本概念，還可以深入、全面地研究LED的特性。
1、實驗器材
實驗器材包括：精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源、照度表、光功率計、分光計、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、電路板等;被測LED有白色圓柱型LED、“食人魚”LED（白光、紅光、綠光和藍(lán)光）。
2、原理與方法
通過如圖1所示的測量電路，可以測量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（簡稱為額定電壓）以及發(fā)光波長。
圖2是測量LED光強分布的測試系統(tǒng)，取經(jīng)過LED軸線的測試平面，用照度表測量該平面與光源中心等距離弧線上各點光強，以確定光強與LED發(fā)光角度之間的關(guān)系，分析5種LED的光強分布，計算得到發(fā)光二極管的半值角和指向性。
圖3是用TCS230型顏色傳感器測LED正常發(fā)光狀態(tài)下的光譜成分的系統(tǒng)圖，將測試結(jié)果與單色儀測試的標(biāo)準(zhǔn)參量相比較，檢驗其準(zhǔn)確性;據(jù)此計算得到峰值波長，檢驗LED的發(fā)光純度。
圖4是測量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)光一致時的電流。
圖5是測量LED光通量的實驗系統(tǒng)，將照度表的接受面頂端與被測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。
測量結(jié)果與分析
1、ED的伏安特性
通過圖1測量了在常溫下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得到5種LED的正常電壓，為后續(xù)測試的正常發(fā)光條件做準(zhǔn)備。根據(jù)公式λ=［（hc）/e］Ud和上述數(shù)據(jù)，計算發(fā)光二極管的發(fā)光波長與理論主波長相吻合。由圖6可知，開始時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的增長最快，而白色圓形LED的增長最慢。5種LED的正常工作電壓、閾值電壓和發(fā)光波長如表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)光波長最長，其他4種LED發(fā)光波長均在500nm左右。
2、LED的光強分布特性
LED的光強分布測試結(jié)果如圖8所示。光強分布曲線能恰當(dāng)?shù)胤从彻庠茨芰康目臻g分布狀況。可以從光強空間分布確定5種LED的發(fā)光范圍。實驗所用照度表的傳感器面積是9mm2，測試半徑為8cm，通過計算所得數(shù)據(jù)與國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量LED的光強條件數(shù)據(jù)相吻合，即所測量的光源可近似為點光源。由測量結(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最強。常用半值角描述LED發(fā)光分布特性，半值角θ越小所對應(yīng)的指向性越強（見表2），這可為用戶根據(jù)使用情況選擇二極管提供參考。
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，由電路轉(zhuǎn)換為脈沖輸出。利用它測量了上述5種顏色LED的發(fā)光光譜，并將其測量結(jié)果與單色儀所測得的結(jié)果進(jìn)行比較，判斷顏色傳感器測量的準(zhǔn)確狀況。單色儀和顏色傳感器所測得光譜特性曲線如圖9和10所示，用顏色傳感器所測得的發(fā)光成分如圖11所示。從測量結(jié)果可知，顏色傳感器在480~635nm的工作范圍內(nèi)，與單色儀所測量結(jié)果基本一致。峰值波長是描述光譜特性的重要參量。通過實驗可知，紅、藍(lán)和綠LED的峰值波長在主波長的范圍內(nèi)，如表3所示。
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軸向光強與正向注入電流I的關(guān)系特性。由于一個產(chǎn)品中往往要使用許多個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，所以測試該性能是非常必要的。實驗中從LED剛開始發(fā)光起，逐漸增加電流，記錄相應(yīng)的光功率計的數(shù)值P，得到測試結(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。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。
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。實驗測量了5種LED的光照度E.利用式子算出光通量Φ。式中，S是照度表接受器的半球面積，n為LED的發(fā)光角度，經(jīng)測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，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。
