发光二极管的伏安特性及测试
目前半导体发光二极管（LED）已经被广泛应用于指示灯、仪表显示、手机背光源和车载光源等照明领域。本文搭建的LED特性测试系统，具有结构简单、综合性强、耗费资金少的优势，可直接测量LED的伏安特性、光强分布特性、光谱特性、光功率和电流关系特性以及发光效率和电流关系特性;间接计算LED的发光波长、正常工作电压和半值角、光通量和发光效率。这些工作不仅丰富了普物实验的教学内容，使学生理解电子跃迁、空穴的形成以及光强、光照度等基本概念，还可以深入、全面地研究LED的特性。
1、实验器材
实验器材包括：精密数显直流稳流稳压电源、照度表、光功率计、分光计、直尺、游标卡尺、滑线变阻器、万用表、颜色传感器、单色分光仪、频率计、电路板等;被测LED有白色圆柱型LED、“食人鱼”LED（白光、红光、绿光和蓝光）。
2、原理与方法
通过如图1所示的测量电路，可以测量LED的伏安特性，以确定LED的阈值电压、正向电压、正向电流、正常工作电压（简称为额定电压）以及发光波长。
图2是测量LED光强分布的测试系统，取经过LED轴线的测试平面，用照度表测量该平面与光源中心等距离弧线上各点光强，以确定光强与LED发光角度之间的关系，分析5种LED的光强分布，计算得到发光二极管的半值角和指向性。
图3是用TCS230型颜色传感器测LED正常发光状态下的光谱成分的系统图，将测试结果与单色仪测试的标准参量相比较，检验其准确性;据此计算得到峰值波长，检验LED的发光纯度。
图4是测量LED的光功率与电流关系特性的电路图，通过数据分析得到LED发光一致时的电流。
图5是测量LED光通量的实验系统，将照度表的接受面顶端与被测LED顶端相接触，通过调节电流得到照度表的读数，以便分析其不同电流下的发光效率并做出发光效率和电流的关系特性曲线。
测量结果与分析
1、ED的伏安特性
通过图1测量了在常温下5种颜色LED的伏安特性曲线如图6所示。LED临界导通状态下的电压称为阈值电压，根据图7中的拟合公式算出拟合直线与横轴交点得到5种LED的正常电压，为后续测试的正常发光条件做准备。根据公式λ=［（hc）/e］Ud和上述数据，计算发光二极管的发光波长与理论主波长相吻合。由图6可知，开始时LED电流随电压变化几乎不变，大于阈值电压后，电流随电压以104~236mA/V的变化率呈线性增加，其中红色方形LED的增长最快，而白色圆形LED的增长最慢。5种LED的正常工作电压、阈值电压和发光波长如表1所示。表1显示除红色方形的LED以外，其他4种LED的正常电压、阈值电压大约分别在3V和2V;红色方形LED的发光波长最长，其他4种LED发光波长均在500nm左右。
2、LED的光强分布特性
LED的光强分布测试结果如图8所示。光强分布曲线能恰当地反映光源能量的空间分布状况。可以从光强空间分布确定5种LED的发光范围。实验所用照度表的传感器面积是9mm2，测试半径为8cm，通过计算所得数据与国际标准规定的测量LED的光强条件数据相吻合，即所测量的光源可近似为点光源。由测量结果可发现：方形LED更具有指向性;所有LED在其中央法线处的光强最强。常用半值角描述LED发光分布特性，半值角θ越小所对应的指向性越强（见表2），这可为用户根据使用情况选择二极管提供参考。
3、LED的光谱特性
利用TCS230颜色传感器在暗箱内进行光谱测量。本文采用的颜色传感器是将红、绿、蓝、透明4组滤光镜集成，通过光电二极管采集光强，由电路转换为脉冲输出。利用它测量了上述5种颜色LED的发光光谱，并将其测量结果与单色仪所测得的结果进行比较，判断颜色传感器测量的准确状况。单色仪和颜色传感器所测得光谱特性曲线如图9和10所示，用颜色传感器所测得的发光成分如图11所示。从测量结果可知，颜色传感器在480~635nm的工作范围内，与单色仪所测量结果基本一致。峰值波长是描述光谱特性的重要参量。通过实验可知，红、蓝和绿LED的峰值波长在主波长的范围内，如表3所示。
4、LED的光功率和电流关系
光功率是指人眼可以感受到的辐射功率，即LED轴向光强与正向注入电流I的关系特性。由于一个产品中往往要使用许多个LED，各LED的发光亮度必须相同或成一定比例后才能呈现均一的外观，所以测试该性能是非常必要的。实验中从LED刚开始发光起，逐渐增加电流，记录相应的光功率计的数值P，得到测试结果P-I关系如图12所示。由图可知，电流愈大，发光愈强。通过拟合，可以找到一组电流，能够使5种LED发光功率相同。
5、LED发光效率和电流的关系
发光效率是指发光体受激发时将吸收能量转换为光能的能力，它是表征发光体功能的重要参量。实验测量了5种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积，n为LED的发光角度，经测量得到照度表半球面积与照度表接收器的距离d满足πd2=S.图13是计算原理图，再利用η=Φ/P（P=UI）算出发光效率η。最后拟合发光效率和电流的关系曲线如图14所示。由图14可知白方、绿方、白圆、红方和蓝方发光效率依次降低，即它们的电能转换为光能的能力依次降低。理论上可知这5种LED的发光效率都具有先增高后降低的趋势，由于电流的逐渐增加，注入发光区的电子非辐射复合的概率变大，所以导致发光效率减弱。
