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(jī)背光源和車載光源等照明領(lǐng)域。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、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。

　　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、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。

　　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，檢驗(yàn)LED的發(fā)光純度。

　　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。

　　測(cè)量結(jié)果與分析

　　1、ED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)光波長與理論主波長相吻合。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(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?？梢詮墓鈴?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)與國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(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。

　　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，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。峰值波長是描述光譜特性的重要參量。通過實(shí)驗(yàn)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(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。

　　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(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。