半導體發光二極管的基本特性研究*

張亞軍，劉仁臣，李 昂

（珠海科技學院 公共基礎與應用統計學院，廣東 珠海 519041）

半導體發光二極管（LED）具有節能環保、性能穩定、重量輕、體積小、成本低等特點，被廣泛應用于指示燈、儀表顯示、顯示屏背光、汽車車燈、節能路燈等領域。因此，LED 被譽為21 世紀新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。本文利用普通物理實驗室的基礎儀器，研究紅光、黃光和藍光三種常見小功率LED 的伏安特性和光學特性，可作為學生設計實驗項目［1］。

1 物理原理

1.1 LED 伏安特性測量

發光二極管是由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，其核心是PN 結。二極管的電流是電子和空穴的結合形成。在PN 結結合區有一段很窄的沒有電子或空穴的地區，如果加正向電壓，這個地區就縮小，電子和空穴開始結合形成電流。如果電壓增高，結合速度快速增加，形成非線性伏安特性。當電子與空穴復合時能輻射出可見光，將電能轉換為光能［2］。忽略能量損耗，由能量守恒定律有:

式中Eg為禁帶寬度，h 為普朗克常量，c 為真空中的光速，Uc為截止電壓，e 為電子電量。可推導出峰值波長λp理論公式:

在實驗中先測量LED 的伏安特性數據，再利用Excel軟件求出截止電壓Uc，代入公式計算LED 峰值波長。

1.2 光柵衍射法測量LED 波長范圍

由夫瑯禾費衍射理論[3]，當平行光垂直照射光柵常數為a 的光柵時，出現明紋條件是dsinφk=kλ。利用分光計觀察衍射光譜，測量第一級衍射角，則光波波長λ=dsinθ。因為LED 光源為復合光，其一級衍射條紋有一定的寬度。條紋內側對應其最小波長，外側對應其最大波長，從而測定其波長范圍。

2 實驗數據

2.1 伏安特性數據

將穩壓直流電源一臺、優利德UT33A+數字萬用表兩臺、滑動變阻器一臺、導線若干和LED 按照外接法連接電路，測量LED 伏安特性。通過Excel 軟件繪制伏安特性曲線圖，如圖1 所示。選取LED 正常工作時的數據，在Excel 軟件中線性擬合，添加趨勢線并顯示直線方程，如圖2 所示。

圖1 LED 伏安特性曲線圖

圖2 LED 正常工作線性擬合圖

令直線方程為零，即可計算出LED 的截止電壓Uc。利用公式（1）計算LED 的峰值波長，結果如表1 所示。

表1 LED 線性擬合結果

2.2 分光計測量數據

分光計一臺、光柵常數為a=1mm/300 的透射光柵一片、直流穩壓電源一臺和LED 若干。讓LED 光源通過分光計的平行光管后垂直照射在透射光柵，觀察LED 的光譜。因為LED 光源為復合光，其一級衍射條紋有一定的寬度。條紋的內側對應其最小波長，外側對應其最大波長。分別測量條紋內、外側對應的一級衍射角度，代入公式（1）即可計算出LED 的最小波長和最大波長，從而確定LED 波長范圍。分光計測LED 一級衍射條紋內側/外側的角度如表2、表3 所示。

表2 分光計測LED 一級衍射條紋內側的角度

測量結果綜上所述：紅光LED 峰值波長為635nm，波長范圍為595～650nm；黃光LED 峰值波長為584nm，波長范圍為579～598nm；藍光LED 峰值波長為451nm，波長范圍為445～480nm。

表3 分光計測LED 一級衍射條紋外側的角度

3 結束語

本文使用實驗室現成儀器，研究LED 伏安特性和光學特性[4]。利用外接法測量半導體發光二極管的伏安特性，其電壓和電流為非線性關系。應用Excel 軟件線性擬合求出LED 的截止電壓，代入公式計算其峰值波長。應用分光計測量LED 一級衍射角度，測定LED 波長范圍。結果LED 峰值波長完美落在其波長范圍內，證明實驗的可行性。實驗原理淺顯易懂，操作簡單易行，可作為學生設計性實驗項目。