ZICy世纪中4ZKY-LEDLED特性实验仪实验指导及操作说明书成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段9号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685243932传真：（028）85247006网址：WWW.ZKY.CnE-mail:ZKY@ZKY.Cn2012-02-29
ZKY-LED LED 特性实验仪 实验指导及操作说明书 成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 网址；WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKY@ZKY.Cn 2012-02-29
ZICyup第2页共8页LED特性实验仪1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一只发光二极管LED（LightEmittingDiode），LED早期主要作为指示灯使用。20世纪80年代，LED的亮度有了很大提高，开始广泛应用于各种大屏幕显示。1994年，日本科学家中村秀二在氮化镓GaN基片上研制出第一只蓝光LED，1997年诞生了蓝光芯片加荧光粉的白光LED，使LED的发展和应用进入了全彩应用及普通照明阶段。LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小，耗电量低，易于控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点，其主要应用领域包括照明：在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED照明是节能环保的重要途径。在国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，“高效节能，长寿命的半导体照明产品”被列入国家中长期规划第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能）。2006年10月，国家863计划“半导体照明工程”正式启动。普通照明用的白炽灯虽价格便宜，但光效低（12～24流明/瓦），寿命短（平均1500小时）已被欧盟禁止使用。荧光灯的光效（50120流明/瓦）高，寿命（平均6000小时）较长，但靠汞蒸汽放电发光，而汞对人体有严重的毒害作用，污染环境。白光LED的光效已达到50流明/瓦，实验室水平已超过200流明/瓦，寿命平均50000小时，从综合性能看已是最好的照明光源。虽然目前价格较高阻碍了LED在普通照明领域大规模推广，但依据芯片产业的发展规律，随着技术进步与规模扩大，成本将会迅速降低，不久LED照明将会取代普通照明方式。大屏幕显示：LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，同时具有耗电低，易于控制，寿命长等优点，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形：视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。液晶显示的背光源：液晶显示器目前在中小屏幕显示方面占据大部分市场，液晶矩阵元只对光线起开关控制作用，必需有背光源照明才能显示图像，色彩。由于LED体积小，耗电低，寿命长的优点，手机，数码相机，笔记本电脑，MP3/4等便携设备的液晶屏都采用LED做背光源。由于价格因素，早期大屏幕液晶屏是采用CCFL荧光灯管做背光源，随着LED的价格下降，且采用LED做背光源可使显示屏色彩表现力更丰富，亮度和白平衡易于控制，目前大屏幕液晶屏已竞相采用LED做背光源。装饰工程：城市的夜空，各种装饰性，广告性的灯具闪烁发光，曾经的霓虹灯已退出历史舞台，取代它的是组合、控制方便，表现力丰富的LED灯具。景观照明中的一个亮点是LED与太阳能的结合，白天利用造型灯具中的太阳能电池发电，晚上利用太阳能发电的能量点燃灯具，实现了装饰照明与节能环保的和谐统一。其它：成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段9号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685243932传真：（028）85247006
第 2 页 共 8页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 LED 特性实验仪 1962 年，通用电气公司的尼克•何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一只发光二极管 LED(Light Emitting Diode)，LED 早期主要作为指示灯使用。20 世纪 80 年代，LED 的亮度有 了很大提高，开始广泛应用于各种大屏幕显示。1994 年，日本科学家中村秀二在氮化镓 GaN 基片上研制出第一只蓝光 LED，1997 年诞生了蓝光芯片加荧光粉的白光 LED，使 LED 的发展 和应用进入了全彩应用及普通照明阶段。 LED 是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小，耗电量低，易于 控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点，其主要应用领域包括 照明： 在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用 LED 照明是节能环保的重要途 径。在国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，“高效节能，长寿命的半导 体照明产品”被列入国家中长期规划第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能）。 2006 年 10 月，国家 863 计划“半导体照明工程”正式启动。 普通照明用的白炽灯虽价格便宜，但光效低（12～24 流明/瓦），寿命短（平均 1500 小 时）已被欧盟禁止使用。荧光灯的光效（50～120 流明/瓦）高，寿命（平均 6000 小时）较长， 但靠汞蒸汽放电发光，而汞对人体有严重的毒害作用，污染环境。白光 LED 的光效已达到 50 流明/瓦，实验室水平已超过 200 流明/瓦，寿命平均 50000 小时，从综合性能看已是最好的 照明光源。虽然目前价格较高阻碍了 LED 在普通照明领域大规模推广，但依据芯片产业的发 展规律，随着技术进步与规模扩大，成本将会迅速降低，不久 LED 照明将会取代普通照明方 式。 大 屏幕显示： LED 显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，同时具有耗电低，易于 控制，寿命长等优点，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、 建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。LED 显示屏分为图文显示屏和视频显示屏， 均由 LED 矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏 采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信 息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD 节目以及现场实况。 液 晶显示的背光源： 液晶显示器目前在中小屏幕显示方面占据大部分市场，液晶矩阵元只对光线起开关控制 作用，必需有背光源照明才能显示图像，色彩。由于 LED 体积小，耗电低，寿命长的优点，手 机，数码相机，笔记本电脑，MP3/4 等便携设备的液晶屏都采用 LED 做背光源。由于价格因 素，早期大屏幕液晶屏是采用 CCFL 荧光灯管做背光源，随着 LED 的价格下降，且采用 LED 做 背光源可使显示屏色彩表现力更丰富，亮度和白平衡易于控制，目前大屏幕液晶屏已竞相采 用 LED 做背光源。 装 饰工程： 城市的夜空，各种装饰性，广告性的灯具闪烁发光，曾经的霓虹灯已退出历史舞台，取代它 的是组合、控制方便，表现力丰富的 LED 灯具。景观照明中的一个亮点是 LED 与太阳能的结 合，白天利用造型灯具中的太阳能电池发电，晚上利用太阳能发电的能量点燃灯具，实现了 装饰照明与节能环保的和谐统一。 其它：
ZIC世中第3页共8页如交通信号灯，公共场所的各种指示灯，光纤通信的光源，汽车上的各种内部照明灯，仪表指示灯，仪器上的数码显示管，都大量采用LED。实验目的通过实验测试各种LED特性，分析实验结果，从而进一步了解LED工作原理及相关应用。(1）测量LED的伏安特性(2)测量LED的电光转换特性（3)测量LED输出光空间分布特性实验原理发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。P型N半导体中有相当数量的空穴，几平没有自由电子。N型半导势垒电空间车车车车体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体电荷区场方向结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区P扩散，P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的图1半导体P-N结示意图反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，从而在PN结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。发光二极管发射光谱的中心波长，由组成P-N结的半导体材料的禁带能量所决定，采用不同的材料及材料组分，可以获得发射不同颜色的发光二极管。LED的光谱线宽度一般有几十纳米，可见光的光谱范围是400一700纳米，白光LED一般采用三种方法形成。第一种是在蓝光LED管芯上涂敷荧光粉，蓝光与荧光粉产生的宽带光谱合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。第3种是紫外LED加3基色荧光粉，3基色荧光粉的光谱合成白光。实验仪器激励电源实验仪测试控制器连接线GeLED试件盒相对照度检测探头LED光发射成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段9号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685243932传真：（028）85247006
第 3 页 共 8页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 如交通信号灯，公共场所的各种指示灯，光纤通信的光源，汽车上的各种内部照明灯，仪表指 示灯，仪器上的数码显示管，都大量采用 LED。 实验目的 通过实验测试各种 LED 特性，分析实验结果，从而进一步了解 LED 工作原理及相关应用。 (1)测量 LED 的伏安特性 (2)测量 LED 的电光转换特性 (3)测量 LED 输出光空间分布特性 实验原理 发光二极管是由 P 型和 N 型半导体组成的二极管。P 型 半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N 型半导 体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体 结合在一起形成 P-N 结时，N 区的电子（带负电）向 P 区 扩散， P 区的空穴（带正电）向 N 区扩散，在 P-N 结附近 形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的 反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过 P-N 结的净电流为零。在空间电荷区内，P 区的空穴被来自 N 区的电子复合，N区的电子被来自 P 区的 空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。 当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P 区的空穴和 N 区的 电子就向对方扩散运动，从而在 PN 结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能 量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。发光二极管发射光谱 的中心波长，由组成 P-N 结的半导体材料的禁带能量所决定，采用不同的材料及材料组分，可以 获得发射不同颜色的发光二极管。 LED 的光谱线宽度一般有几十纳米，可见光的光谱范围是 400－700 纳米，白光 LED 一般 采用三种方法形成。第一种是在蓝光 LED 管芯上涂敷荧光粉，蓝光与荧光粉产生的宽带光谱 合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构 成白光 LED。第 3 种是紫外 LED 加 3 基色荧光粉，3 基色荧光粉的光谱合成白光。 实验仪器 N 势垒电 空间 场方向 电荷区 P 图 1 半导体 P-N 结示意图 激励电源 实验仪 测试控制器 相对照度检测探头 LED 试件盒 LED 光发射 连接线
ZIC世中第4页共8页图2.LED综合特性测试仪示意图LED实验装置如图2所示。实验装置由LED光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实验仪及LED试件盒组成。LED试件盒装有绿色，蓝色，白色4种高亮型LED和红色，绿色，蓝色，白色4种功率型LED，各个试件的电学参量见各个试件表面。LED光发射器用于方便的安装LED试件，并与LED试件结合构成LED光发源。它可以正反180度旋转并由刻度盘指示旋转角度，用于测量LED输出光空间分布特性。相对照度检测探头用于检测当前位置的LED出射光的相对照度值。其相对位置可调与实验仪的相对照度表一起构成检测不同位置不同角度下LED的光输出值。激励电源为LED提供驱动电源，其有稳压与稳流两种输出模式。其中稳压源分为0-36V和0-4V档，稳流模式分为0-40mA和0-400mA档，可通过电源面板上的按键进行相应档位切换并可通过旋转调节编码开关实现电压电流输出的大小调节，顺时针旋转增加电压电流输出，逆时针旋转减小电压电流的输出。>稳压0～4V档用于LED正向测试。I稳压0~36V档用于LED反向测试。V稳流0-4OmA档，用于高亮型LED的空间分布特性测试，稳流0-400mA档，用于功率型LED的空间分布特性测试。测试控制器用于控制并驱动LED试件。其有具有对LED试件进行正反向测试转换，过压过流保护，电流电压检测输出等功能。实验仪上用于检测LED的驱动电压电流以及相对光强，其有电压，电流，照度3个表头，是读取实验数据的窗口，每个表头都带有量程切换按键。注意：实验仪的电流测量200mA档和2000mA档用于LED正向测试，20uA档和200uA档用于LED反向测试。当电流档位切换后与等待5秒后才能正确读数。由于功率型LED工作电流较大所以建议使用2000mA档用于功率型LED正向测试。各部分的连线仪器上都有标示，按标示连接即可。实验内容与步骤测量原理如图3所示：OLED光探头LED驱动电源电压表照度表电流表正向测试O大电压表LED驱动电源成都世纪中科仪器有限公司地部市人民南路四段9号中科院成都分院32邮编：610041电话：（028）8524700传真：（028）85247006电流表
第 4 页 共 8页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 图 2.LED 综合特性测试仪示意图 LED 实验装置如图 2 所示。实验装置由 LED 光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器， 实验仪及 LED 试件盒组成。 LED 试件盒装有绿色，蓝色，白色 4 种高亮型 LED 和红色，绿色，蓝色，白色 4 种功率型 LED， 各个试件的电学参量见各个试件表面。 LED 光发射器用于方便的安装 LED 试件，并与 LED 试件结合构成 LED 光发源。它可以正反 180 度 旋转并由刻度盘指示旋转角度，用于测量 LED 输出光空间分布特性。 相对照度检测探头用于检测当前位置的 LED 出射光的相对照度值。其相对位置可调与实验仪的 相对照度表一起构成检测不同位置不同角度下 LED 的光输出值。 激励电源为 LED 提供驱动电源，其有稳压与稳流两种输出模式。其中稳压源分为 0-36V 和 0- 4V 档，稳流模式分为 0-40mA 和 0-400mA 档，可通过电源面板上的按键进行相应档位切换并可通过旋 转调节编码开关实现电压电流输出的大小调节，顺时针旋转增加电压电流输出，逆时针旋转减小电 压电流的输出。 ➢ 稳压 0～4V 档用于 LED 正向测试。 ➢ 稳压 0～36V 档用于 LED 反向测试。 ➢ 稳流 0-40mA 档,用于高亮型 LED 的空间分布特性测试， ➢ 稳流 0-400mA 档,用于功率型 LED 的空间分布特性测试。 测试控制器用于控制并驱动 LED 试件。其有具有对 LED 试件进行正反向测试转换，过压过流保 护，电流电压检测输出等功能。 实验仪上用于检测 LED 的驱动电压电流以及相对光强，其有电压，电流，照度 3 个表头，是读 取实验数据的窗口，每个表头都带有量程切换按键。 注意：实验仪的电流测量 200mA 档和 2000mA 档用于 LED 正向测试，20uA 档和 200uA 档用 于 LED 反向测试。当电流档位切换后与等待 5 秒后才能正确读数。由于功率型 LED 工作电流较大， 所以建议使用 2000mA 档用于功率型 LED 正向测试。 各部分的连线仪器上都有标示，按标示连接即可。 实验内容与步骤 测量原理如图 3 所示： LED 驱动电源 电压表 LED 光探头 照度表 电流表 电压表 电流表 LED 驱动电源 正向测试
世纪中科ziy第5页共8页反向测试图3LED特性测试原理图1、测量LED的伏安特性伏安特性反映了在LED两端加电压时，电流与电压的关系如图4所示。在LED两端加正向电压，当电压较小，不足以克服势垒电场V时，通过LED的电流很小。当正向电压超过死区电压（图4中的正向拐点）后，电流随电压迅速增长。正向工作电流指LED正常发光时的正向电流值，根据不同管子的结构和输出功率的大小，其值在几十毫安到1安之间。图4LED的伏安特性曲线正常工作电压指LED正常发光时加在二极管两端的电压。允许功耗指加于LED的正向电压与电流乘积的最大值，超过F此值，LED会因过热而损坏。LED的伏安特性与一般2极管相似。在LED两端加反向电压，只有微安极的反向电流。反向电压超过击穿电压（一般为几十伏）后，管子被击穿损坏。为安全起见，激励电源提供的最大反向电压低于击穿电压。2、测量LED的电光转换特性图5反映发光二极管的驱动电流与与输出照度的关系。发光二极管输出照度值与驱动电流近似呈线性关系。这是因为驱动电流与图5LED电光转换特性注入PN结的电荷数成正比，在复合发光的量子效率一定的情况下，输出照度与注入电荷数成正比。3、测量LED输出光空间分布特性发光二极管的芯片结构及封装方式不同，输出光的空间分布也不一样，图6给出其中两种的分布特性。成都世纪中科仪器有限公司地址：成都市人民南路四段9号中科院成都分院邮编：610041电话：（028）8524700685243932传真：（028）85247006
第 5 页 共 8页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：成都市人民南路四段 9 号中科院成都分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85247006 图 3 LED 特性测试原理图 1、测量 LED 的伏安特性 伏安特性反映了在 LED 两端加电压时，电流与电压的关系， 如图 4 所示。 在 LED 两端加正向电压，当电压较小，不足以克服势垒电场 时，通过 LED 的电流很小。当正向电压超过死区电压（图 4 中的 正向拐点）后，电流随电压迅速增长。 正向工作电流指 LED 正常发光时的正向电流值，根据不同管 子的结构和输出功率的大小，其值在几十毫安到 1 安之间。 正常工作电压指 LED 正常发光时加在二极管两端的电压。 允许功耗指加于 LED 的正向电压与电流乘积的最大值，超过 此值，LED 会因过热而损坏。 LED 的伏安特性与一般 2 极管相似。在 LED 两端加反向电 压，只有微安极的反向电流。反向电压超过击穿电压（一般为几十 伏）后，管子被击穿损坏。为安全起见，激励电源提供的最大反向 电压低于击穿电压。 2、测量 LED 的电光转换特性 图 5 反映发光二极管的驱动电流与与输出照度的关系。发光二 极管输出照度值与驱动电流近似呈线性关系。这是因为驱动电流与 注入 PN 结的电荷数成正比，在复合发光的量子效率一定的情况 下，输出照度与注入电荷数成正比。 3、测量 LED 输出光空间分布特性 发光二极管的芯片结构及封装方式不同，输出光的空间分布也不一样，图 6 给出其中两种的 分布特性。 I V 图 4 LED 的伏安特性曲线 E I 图 5 LED 电光转换特性 反向测试