LED發光二極管特性測試

王 悅，李澤深，劉 維

（首都師范大學 物理系，北京100048）

1 引 言

目前半導體發光二極管（LED）［1］已經被廣泛應用于指示燈、儀表顯示、手機背光源和車載光源等照明領域［2］.本文搭建的LED特性測試系統，具有結構簡單、綜合性強、耗費資金少的優勢，可直接測量LED的伏安特性、光強分布特性、光譜特性、光功率和電流關系特性以及發光效率和電流關系特性；間接計算LED的發光波長、正常工作電壓和半值角、光通量和發光效率.這些工作不僅豐富了普物實驗的教學內容，使學生理解電子躍遷、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.

2 實 驗

2.1 實驗器材

實驗器材包括：精密數顯直流穩流穩壓電源、照度表、光功率計、分光計、直尺、游標卡尺、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、綠光和藍光）.

2.2 設計原理與方法

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）以及發光波長.

圖1 伏安特性測試電路

圖2是測量LED光強分布的測試系統，取經過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發光角度之間的關系，分析5種LED的光強分布，計算得到發光二極管的半值角和指向性.

圖2 光強分布測試

圖3是用TCS230型顏色傳感器測LED正常發光狀態下的光譜成分的系統圖，將測試結果與單色儀測試的標準參量相比較，檢驗其準確性；據此計算得到峰值波長，檢驗LED的發光純度.

圖3 光譜成分測量

圖4是測量LED的光功率與電流關系特性的電路圖，通過數據分析得到LED發光一致時的電流.

圖4 光功率和電流關系特性測試

圖5是測量LED光通量的實驗系統，將照度表的接受面頂端與被測LED頂端相接觸，通過調節電流得到照度表的讀數，以便分析其不同電流下的發光效率并做出發光效率和電流的關系特性曲線.

圖5 發光效率和電流的關系特性測試

3 測量結果與分析

3.1 LED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臨界導通狀態下的電壓稱為閾值電壓，根據圖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，為后續測試的正常發光條件做準備.根據公式［3］λ＝［（hc）／e］Ud和上述數據，計算發光二極管的發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的發光波長最長，其他4種LED發光波長均在500nm左右.

圖6 伏安特性曲線

圖7 正常電壓圖

表1 5種LED的正常電壓、閾值電壓和發光波長

3.2 LED的光強分布特性

LED的光強分布測試結果如圖8所示.光強分布曲線能恰當地反映光源能量的空間分布狀況.可以從光強空間分布確定5種LED的發光范圍.實驗所用照度表的傳感器面積是9mm2，測試半徑為8cm，通過計算所得數據與國際標準規定［4］的測量LED的光強條件數據相吻合，即所測量的光源可近似為點光源.由測量結果可發現：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發光分布特性，半值角θ越小所對應的指向性越強（見表2），這可為用戶根據使用情況選擇二極管提供參考.

圖8 光強分布圖

表2 LED的指向性

3.3 LED的光譜特性

利用TCS230顏色傳感器在暗箱內進行光譜測量.本文采用的顏色傳感器是將紅、綠、藍、透明4組濾光鏡集成，通過光電二極管采集光強，由電路轉換為脈沖輸出.利用它測量了上述5種顏色LED的發光光譜，并將其測量結果與單色儀所測得的結果進行比較［5］，判斷顏色傳感器測量的準確狀況.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光成分如圖11所示.從測量結果可知，顏色傳感器在480～635nm的工作范圍內，與單色儀所測量結果基本一致.

峰值波長是描述光譜特性的重要參量［6］.通過實驗可知，紅、藍和綠LED的峰值波長在主波長的范圍內，如表3所示.

圖9 單色儀所測光譜特性曲線圖

圖10 顏色傳感器所測光譜特性曲線圖

圖11 顏色傳感器所測光成分圖

表3 LED峰值波長比較表

3.4 LED的光功率和電流關系

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的關系特性.由于一個產品中往往要使用許多個LED，各LED的發光亮度必須相同或成一定比例后才能呈現均一的外觀，所以測試該性能是非常必要的.實驗中從LED剛開始發光起，逐漸增加電流，記錄相應的光功率計的數值P，得到測試結果P-I關系如圖12所示.由圖可知，電流愈大，發光愈強.通過擬合，可以找到一組電流，能夠使5種LED發光功率相同.

圖12 光功率與電流關系特性

3.5 LED發光效率和電流的關系

發光效率是指發光體受激發時將吸收能量轉換為光能的能力，它是表征發光體功能的重要參量.實驗測量了5種LED的光照度E.利用

算出光通量Φ.式中，S是照度表接受器的半球面積，n為LED的發光角度，經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）算出發光效率η.最后擬合發光效率和電流的關系曲線如圖14所示.由圖14可知白方、綠方、白圓、紅方和藍方發光效率依次降低，即它們的電能轉換為光能的能力依次降低.理論上可知這5種LED的發光效率都具有先增高后降低的趨勢，由于電流的逐漸增加，注入發光區的電子非輻射復合的概率變大，所以導致發光效率減弱［7］.

圖13 照度表接受光原理圖

圖14 發光效率和電流關系圖

4 結 論

使用常規實驗儀器，搭建了LED測試系統.該系統原理清晰，測量方法簡單.可操作性強，測量范圍大.實驗測量的5種LED正常發光電壓為1～4V，閾值電壓為1.5～3V，發光波長與主波長一致；方形的LED較圓形更具有指向性；每種帶有顏色的LED都非單一顏色的光，但它們的峰值波長和主波長相一致.測試結果表明，利用顏色傳感器測試的光譜與單色儀所測結果一致；光通量的測量方法能夠達到不用積分球等儀器就能夠實現簡易的測量；在一定范圍內，5種LED光功率隨著電流的增加而增大，但是它們的發光效率隨著電流的增加先增加后減少.

［1］馬春雷，鮑超.一種高功率LED熱阻的測試方法［J］.光學儀器，2005，27（2）：13-15.

［2］路秋生.LED照明與應用［J］.燈與照明，2009，33（4）：24-28.

［3］蔣蕓，鮑麗莎，曹正東.發光二級管的特性研究［J］.實驗室研究與探索，2007，26（6）：30-34.

［4］陳瑩梅，劉平安，陸申龍.發光二級管基本物理特性測量及研究［J］.大學物理，2007，26（8）：49-52.

［5］王巧彬，任豪，羅宇強，等.基于LabVIEW的LED光源的光譜及色度檢測研究［J］.光學儀器，2009，31（3）：8-12.

［6］胡德敬，謝嘉祥，曹正東.設計性物理實驗集錦［M］.上海：上海科學科技出版社，2002：127-129.

［7］李炳乾.1W級大功率白光LED發光效率研究［J］.半導體光學，2005，26（4）：314-316.