光电成像与显示技术实验实验一LED特性测试实验一、实验目的1、熟悉掌握LED正向伏安基本特性的测试方法：2、熟悉掌握LED反向伏安基本特性的测试方法：3、熟悉掌握LED角度特性测试方法。二、实验内容1、LED正向伏安特性测试实验；2、LED反向伏安特性测试实验：3、LED角度特性测试实验。三、实验仪器1、信息显示与光电技术综合实验平台一台一套2、LED特性测试模块若干3、连接导线四、实验原理（一）LED发光原理LED发光原理：发光二极管是由IⅢI-IV族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化）等半导体制成，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即入~1240/Eg（nm）(1-1)式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。下图为发光二极管结构图。环氧树脂（胶）一晶片一金线一银胶一支架图1-1-1发光二极管结构图
光电成像与显示技术实验 实验一 LED 特性测试实验 一、实验目的 1、 熟悉掌握 LED 正向伏安基本特性的测试方法； 2、 熟悉掌握 LED 反向伏安基本特性的测试方法； 3、 熟悉掌握 LED 角度特性测试方法。 二、实验内容 1、LED 正向伏安特性测试实验； 2、LED 反向伏安特性测试实验； 3、LED 角度特性测试实验。 三、实验仪器 1、信息显示与光电技术综合实验平台 一台 2、LED 特性测试模块 一套 3、连接导线 若干 四、实验原理 （一）LED 发光原理 LED 发光原理：发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如 GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP （磷砷化镓）等半导体制成，其核心是 PN 结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N 特性，即正向 导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电 子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多 数载流子（多子）复合而发光。假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直 接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。发光的复合量相对于非发光 复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近 PN 结面数μ m 以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ 与发光区域的半导体材料禁带宽 度 Eg 有关，即 λ ≈1240/Eg（nm） （1-1） 式中 Eg 的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在 380nm 紫光～780nm 红光），半 导体材料的 Eg 应在 3.26～1.63eV 之间。下图为发光二极管结构图。 图 1-1-1 发光二极管结构图
光电成像与显示技术实验I .IFJb'bJalaVROVFV击工作区反向死区穿正向死区区IR图1-1-2发光二极管I-V曲线（二）发光二极管I-V特性LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。LED的I-V曲线如图1-1-2所示，图中两条曲线分别表示不同材料的LED的I-V特征。（1）正向死区：（图oa或oa'段）a点对于Va为开启电压，当V<Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大：开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。（2）正向工作区：电流I与外加电压呈指数关系：I=Is（eqVe/KT-1)Is为反向饱和电流。V>0时，V>V的正向工作区I随V指数上升：I=IseqV/KT（3）反向死区：V<0时pn结加反偏压V=-V.时，反向漏电流IR（V=-5V）时，GaP为OV，GaN为1OuA。（4）反向击穿区V<-Vr，V称为反向击穿电压；V电压对应I，为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V<-V时，则出现I突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压V也不同。反向特性测试方法与正向特性测试方法类似，但是两者间有差异。通常开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V，其电压值均较小：而对于反向特性，一般LED的反向电压均较大，约为几十伏左右，对于普通的电流源无法进行测试，因此需采用稳压源进程测试。其中本测试过程中，稳压源采用0-200V电压源，同时为防止LED反向击穿，需连接限流电阻进行保护。反向特性测试框图如下图1-2-1所示：IMOG1D--被测LED器件、G—一稳压源、A--电流表、V--电压表。图1-2-1反向I-V特性测试图
光电成像与显示技术实验 图 1-1-2 发光二极管 I-V 曲线 （二）发光二极管 I-V 特性 LED 的 I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻， 反之为高接触电阻。LED 的 I-V 曲线如图 1-1-2 所示，图中两条曲线分别表示不同材料的 LED 的 I-V 特征。 （1）正向死区：（图 oa 或 oa′段）a 点对于 Va 为开启电压，当 V＜Va，外加电场尚克 服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时 R 很大；开启电压对于不同 LED 其值不同，GaAs 为 1V，红色 GaAsP 为 1.2V，GaP 为 1.8V，GaN 为 2.5V。 （2）正向工作区：电流 IF 与外加电压呈指数关系：IF=IS(eqVF/KT–1) IS 为反向饱和电流。V＞0 时，V＞VF 的正向工作区 IF随 VF 指数上升：IF=ISeqVF/KT （3）反向死区：V＜0 时 pn 结加反偏压 V=-VR 时，反向漏电流 IR（V=-5V）时，GaP 为 0V，GaN 为 10uA。 （4）反向击穿区 V＜-VR，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应 IR 为反向漏电流。当反向 偏压一直增加使 V＜-VR 时，则出现 IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类 不同，各种 LED 的反向击穿电压 VR 也不同。 反向特性测试方法与正向特性测试方法类似，但是两者间有差异。通常开启电压对于不 同 LED 其值不同，GaAs 为 1V，红色 GaAsP 为 1.2V，GaP 为 1.8V，GaN 为 2.5V，其电压值均 较小；而对于反向特性，一般 LED 的反向电压均较大，约为几十伏左右，对于普通的电流源 无法进行测试，因此需采用稳压源进程测试。其中本测试过程中，稳压源采用 0-200V 电压 源，同时为防止 LED 反向击穿，需连接限流电阻进行保护。 反向特性测试框图如下图 1-2-1 所示： D-被测 LED 器件、G—稳压源、A-电流表、V-电压表。 图 1-2-1 反向 I-V 特性测试图
光电成像与显示技术实验（三）发光强度的角分布发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。不同的LED有着不同的角度特性，特别不同封装的LED，其角度特性更是各有差异。根据不同的应用要求及角度特性性，LED种类可分为普通型、指向型、发散性等。发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。IED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同e角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布I。是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）。为获得高指向性的角分布（如图1-3-1）可采取如下方案：①LED管芯位置离模粒头远些；②使用圆锥状（子弹头）的模粒头：③封装的环氧树脂中勿加散射剂。采取上述措施可使LED的201/2=6°左右，大大提高了指向性。当前几种常用封装的散射角（201/2角）圆形LED：5°、10°、30°、45°。0910930020020030300AOSoaSo.86000OL080009001.01.00.80.60.40.200.20.40.60.8图1-3-1角度分布图角度特性测试方案如下图所示：Ir+D,D,D,IPD轴.PD度盘9Z轴d4+D：被测LED器件：G：电流源：PD：包括面积为A的光阑DI的光度探测器；d：被测LED器件与光阑D1之间的距离：e：Z轴和探测器轴之间的夹角。图1-3-2角度特性测试框图测试结构图如图1-3-2所示，电流源可采用（0-20mA）电流源，通过图1-3-2中的精密旋转台（15）可以使LED旋转一定的角度。通过探测器PD可以测量出LED在一定电流驱动条件下的不同角度的光强。通过角度与光强的关系可以分析LED的角度特性
光电成像与显示技术实验 （三）发光强度的角分布 发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来 量度其光学特性。不同的 LED 有着不同的角度特性，特别不同封装的 LED，其角度特性更是 各有差异。根据不同的应用要求及角度特性性，LED 种类可分为普通型、指向型、发散性等。 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆 球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交 角为 90°。当偏离正法向不同θ 角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强 度依赖角方向。 发光强度的角分布 Iθ 是描述 LED 发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装 的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）。 为获得高指向性的角分布（如图 1-3-1）可采取如下方案：①LED 管芯位置离模粒头远些； ②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；③封装的环氧树脂中勿加散射剂。 采取上述措施可使 LED 的 2θ 1/2=6°左右，大大提高了指向性。当前几种常用封装的散射角 （2θ 1/2 角）圆形 LED：5°、10°、30°、45°。 图 1-3-1 角度分布图 角度特性测试方案如下图所示： D：被测 LED 器件；G：电流源；PD：包括面积为 A 的光阑 D1 的光度探测器； d：被测 LED 器件与光阑 D1 之间的距离；θ ：Z 轴和探测器轴之间的夹角。 图 1-3-2 角度特性测试框图 测试结构图如图 1-3-2 所示，电流源可采用（0-20mA）电流源，通过图 1-3-2 中的精密 旋转台（15）可以使 LED 旋转一定的角度。通过探测器 PD 可以测量出 LED 在一定电流驱动 条件下的不同角度的光强。通过角度与光强的关系可以分析 LED 的角度特性
光电成像与显示技术实验五、实验注意事项1、实验过程中严禁短路现象的发生；2、调节旋钮时均匀、缓慢用力。六、实验步骤（一）LED正向伏安特性测试实验1、检测台体及模块旋钮，将所有旋钮逆时针到头，然后再开启台体电源开关：公平D+VD--被测LED器件、G--恒流源、A--电流表、V--电压表。图1-1-4正向I-V特性测试图2、按照图1-1-4进行接线：台体电流表的“+”台体电流源（0-20mA）“+Iout”台体电流表的“_”LED结构件的“红”色护套插座LED结构件的“黑”色护套插座台体电流源（0-20mA）“-Iout”台体电压表的“+”LED结构件的“红”色护套插座台体电压表的“_”LED结构件的“黑”色护套插座注：①LED结构件中的LED需要自己安装（模块配套有“红”“黄”“绿”“蓝”“白”5种颜色的LED)：实验默认安装红色。②机构件上“红”“黑”插孔对应“正”“负”极；注意LED安装的正负极。LED实物负极正极3、将电流表打到“20mA”档，电压表打到“2V”档或“20V”档，顺时针缓慢调节“电流调节”旋钮，将电流电压数值记录在实验数据记录表14、根据表1中数据绘制LED正向伏安特性曲线，并分析LED正向伏安特性的特征。（二）LED反向伏安特性测试实验1、检测台体及模块旋钮，将所有旋钮逆时针到头，然后再开启台体电源开关；2、按照图1-2-1进行接线：台体电压源（0-200V）接口中的“+Vout”台体电流表的“+”台体电流表的“_”模块“1M”电阻一端模块“1M”电阻另一端LED结构件的“黑”色护套插座LED结构件的“红”色护套插座台体电压源（0-200V）接口中的“-Vout
光电成像与显示技术实验 五、实验注意事项 1、实验过程中严禁短路现象的发生； 2、调节旋钮时均匀、缓慢用力。 六、实验步骤 （一）LED 正向伏安特性测试实验 1、检测台体及模块旋钮，将所有旋钮逆时针拧到头，然后再开启台体电源开关； D-被测 LED 器件、G-恒流源、A-电流表、V-电压表。 图 1-1-4 正向 I-V 特性测试图 2、按照图 1-1-4 进行接线: 台体电流源（0-20mA）“+Iout” 台体电流表的“+” 台体电流表的“-” LED 结构件的“红”色护套插座 LED 结构件的“黑”色护套插座 台体电流源（0-20mA）“-Iout” 台体电压表的“+” LED 结构件的“红”色护套插座 台体电压表的“-” LED 结构件的“黑”色护套插座 注：①LED 结构件中的 LED 需要自己安装（模块配套有“红”“黄”“绿”“蓝”“白”5 种颜色的 LED）；实验默认安装红色。 ②机构件上“红”“黑”插孔对应“正”“负”极；注意 LED 安装的正负极。 3、将电流表打到“20mA”档，电压表打到“2V”档或“20V”档，顺时针缓慢调节“电 流调节”旋钮，将电流电压数值记录在实验数据记录表 1 4、 根据表 1 中数据绘制 LED 正向伏安特性曲线，并分析 LED 正向伏安特性的特征。 （二）LED 反向伏安特性测试实验 1、检测台体及模块旋钮，将所有旋钮逆时针拧到头，然后再开启台体电源开关； 2、按照图 1-2-1 进行接线: 台体电压源（0-200V）接口中的“+Vout” 台体电流表的“+” 台体电流表的“-” 模块“1M”电阻一端 模块“1M”电阻另一端 LED 结构件的“黑”色护套插座 LED 结构件的“红”色护套插座 台体电压源（0-200V）接口中的“-Vout
光电成像与显示技术实验台体电压表的“+”LED结构件的“黑”色护套插座台体电压表的“_”LED结构件的“红”色护套插座3、将电流表打到“200uA”档，电压表打到“200V”档，顺时针缓慢调节（0-200V）“电压调节”旋钮，读取表头电流值电压值（直到电压大小增大到基本不变或增加缓慢为止），将电流电压数值记录于实验数据记录表24、根据表2中数据绘制LED反向伏安特性曲线，并分析LE反向伏安特性的特征。（三）LED强度的空间分布1、检测台体及模块旋钮，将所有旋钮逆时针拧到头，然后再开启台体电源开关；2、LED接线如下图所示：平 DGV图1-3-3LED接线图3、接线方式参考实验一。台体电流表的“+”台体电流源（0-20mA）“+Iout"台体电流表的“_”LED结构件的“红”色护套插座LED结构件的“黑”色护套插座台体电流源（0-20mA）“-Iout”台体电压表的“+”LED结构件的“红”色护套插座台体电压表的“_”LED结构件的“黑”色护套插座4、调整探测器套筒，使其中心轴与精密旋转台的中心轴共轴，同时将精密旋转台侧面的紧固旋钮松开（微调角度时紧固旋钮拧紧），用手直接调整精密旋转台上层面，使LD机械轴与探测器套筒共轴：5、顺时针缓慢调节“电流调节”旋钮，使电流大小为10mA，记录照度表示数于实验数据记录表36、根据表3绘制LED强度空间分布曲线。（四）半最大强度角及偏差角1、操作步骤1-5同上：2、记录LED机械轴与探测器套筒共轴时对应的精密旋转台对应的角度示数1：3、缓慢调节精密旋转台，观察照度表示数变化，记录照度为最大I的时候精密旋转台对应的角度示数即偏差角△e=e-?14、继续缓慢调节精密旋转台，观察照度表示数变化记录照度为I/2时对应的角度示数3，即1/2=01六、关机与结束1、所测的数据记录好，分析实验结果的合理性。2、先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；3、将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室
光电成像与显示技术实验 台体电压表的“+” LED 结构件的“黑”色护套插座 台体电压表的“-” LED 结构件的“红”色护套插座 3、将电流表打到“200uA”档，电压表打到“200V”档，顺时针缓慢调节（0-200V）“电 压调节”旋钮，读取表头电流值电压值（直到电压大小增大到基本不变或增加缓慢为止）， 将电流电压数值记录于实验数据记录表 2 4、 根据表 2 中数据绘制 LED 反向伏安特性曲线，并分析 LED 反向伏安特性的特征。 （三）LED 强度的空间分布 1、检测台体及模块旋钮，将所有旋钮逆时针拧到头，然后再开启台体电源开关； 2、LED 接线如下图所示： 图 1-3-3 LED 接线图 3、接线方式参考实验一。 台体电流源（0-20mA）“+Iout” 台体电流表的“+” 台体电流表的“-” LED 结构件的“红”色护套插座 LED 结构件的“黑”色护套插座 台体电流源（0-20mA）“-Iout” 台体电压表的“+” LED 结构件的“红”色护套插座 台体电压表的“-” LED 结构件的“黑”色护套插座 4、调整探测器套筒，使其中心轴与精密旋转台的中心轴共轴，同时将精密旋转台侧面 的紧固旋钮松开（微调角度时紧固旋钮拧紧），用手直接调整精密旋转台上层面，使 LED 机 械轴与探测器套筒共轴； 5、顺时针缓慢调节“电流调节”旋钮，使电流大小为 10mA，记录照度表示数于实验数 据记录表 3 6、根据表 3 绘制 LED 强度空间分布曲线。 （四）半最大强度角及偏差角 1、操作步骤 1-5 同上； 2、记录 LED 机械轴与探测器套筒共轴时对应的精密旋转台对应的角度示数θ 1； 3、缓慢调节精密旋转台，观察照度表示数变化，记录照度为最大 I 的时候精密旋转台 对应的角度示数θ 2，即偏差角△θ 2=∣θ 2-θ 1∣； 4、继续缓慢调节精密旋转台，观察照度表示数变化记录照度为 I/2 时对应的角度示数 θ 3，即θ 1/2=∣θ 3-θ 1∣； 六、关机与结束 1、 所测的数据记录好，分析实验结果的合理性。 2、 先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱； 3、 将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室