武汉工业学院
毕业论文
论文题目：LED发光的光谱及色度分析
姓名谢鑫
学号 071203210
院系数理科学系
专业电子信息科学与技术
指导教师李鸣
2011年06月08日
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第一章绪论 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2 发展的历史和现状 (1)
1.3 LED的特点和分类 (2)
1.4 LED测试标准及检测技术研究现状 (3)
第二章相关光度学基本原理 (4)
2.1 LED的发光原理 (4)
2.2 LED的封装 (6)
2.3 LED的主要特性 (7)
2.3.1 光谱分布、峰值波长和光谱辐射带宽 (7)
2.3.2 光通量 (7)
2.3.3 发光强度 (8)
2.3.4 色温 (9)
2.3.5 发光效率 (9)
2.3.6 显色性 (9)
2.3.7 正向工作电压
V (10)
F
2.3.8 V－I 特性 (10)
2.3.9 P－I 特性 (10)
2.4 小结 (11)
第三章实验设计 (12)
3.1 实验用具 (12)
3.2 实验记录与数据处理 (12)
3.2.1 LED光通量的测量 (12)
3.2.2 测量V-I特性 (15)
3.2.3 测量P－I特性 (17)
3.3 结果与讨论 (19)
第四章总结与展望 (20)
致谢 (22)
参考文献 (23)
摘要
LED光源现今已经广泛应用于照明领域和信息技术领域，而且有希望成为未来
最主要的光源之一。
随着LED产业的快速增长，LED的光度测量仍然是一个值得
探讨的问题。
本论文基于相关光度学理论，通过对现有测量LED光度特性的各种方法和标准的研究，针对LED本身作为光源所特有的结构和光学特性，提出了LED发光强度空间分布特性的测量方法及其系统设计方案，讨论了相关的测试条件，确定了测试步骤，并且分析了影响测量结果精度的可能因素。
在硬件设计方面，系统采用光栅单色仪（光谱仪），接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机及打印机组成完成整个光度测量过程。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
系统软件采用WGD-9型色度实验系统。
该系统能准确测量光源各个波长段的光强，其中驱动控制、光电信号采样、测试数据通讯传送等几个功能模块组成，都由PC机客户端程序来决定所需执行操作；实现LED的光度测量和光度定标，并对测得的数据进行处理，在用户界面上显示最大光强、偏差角、光束发散角等相关光度参数以及发光强度空间分布曲线等测试结果。
在完成设计和功能调试的基础上，对本系统的光度测试性能进行了一系列的实验评价。
通过对一些典型LED样品的测试，获得不同品种的LED在各种不同条件下发光强度空间分布曲线以及相关光度参数等大量实验结果。
关键词:光度学，发光二极管，发光强度空间分布曲线，光束发散角
ABSTRACT
LED (light emitted diode) is now widely used in the field of illuminating engineering as well as information technology, and is expected to be one of the uppermost light sources in the future. Despite of the wide and rapidly growing application of LED, the reliable method for its photometric measurement is worth while to be researched.
Based on the photometry, the related methods and standards of LED's photometric test are studied, a system scheme is presented for measuring the luminous intensity distribution characteristics of LED, in which structure and optical characters are considered. In addition, the test condition, operation procedures, and the measurement uncertainty are discussed.
For the hardware of the system, the single-chip computer of AT89C52 is adopted as the MCU (micro-controller unit),and the photoelectric transformation and signal amplification circuit are designed for the sampling channel. A high-speed 16bit A/D converter is used to ensure the precision and respondent rate, while the data communication with PC (personal computer) is realized via RS-232 serial port.
The system software is comprised by the MCU program and the PC program. The MCU system software includes the modules of step-motor driver, signal sampling, and data communication, all of which are controlled by the PC. The PC directs the rotation of the step-motor, by means of RS-232,to implement the photometric measurement and its calibration of the LED. Then the data processing is performed, and the measurement results are displayed on the user interface of PC, including the photometric parameters such as the maximal luminous, misalignment angle, spread angle of light beam and the spatial distribution curve for the luminous intensity of the LED.
A series of experiments are carried out to evaluate the photometric measurement performance of this system. The experimental results of the typical LEDs show that the measurement meets the specification of related standard, the performance is reliable and stable, there by the system is applicable to industry. Finally, the aspects of this study are summarized, and the possible improvements in this scheme are proposed.
Key words: photometry, light emitted diode (LED), spatial distribution curve of luminous intensity, spread angle of light beam.
第一章绪论
1.1 研究背景
发光二极管(LED: Light Emitting Diode)是一种电致发光的半导体发光器件属于
冷光源[1]，过去常规的LED多为红、橙、黄、绿光，只能在产品上充当指示信号灯。
随着光电技术及材料科学的发展，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，欧美及日本等国成立了专门的LED研究机构，LED也向高亮度[2]、全彩化、显示大型化的方向发展，而且LED的发光效率正在逐步提高。
随着对紫光、紫外、白光LED研究的深入，LED将有可能成为21世纪最有前途的光源。
1.2 发展的历史和现状
从20世纪60年代第一只发光二极管问世以来，LED经历了30多年的发展。
早期所用的材料GaAsP发红光(650nm)，在驱动电流20mA时，光通量只有千分之几流明(lm，光通量单位)，发光效率只有0.11m/W，多用做做指示灯。
20世纪70年代，材料研究不断深入，引入了In和P，使LED产生绿光(555nm)、黄光(590nm)和橙光(610nm)，光效提高到1 lm/W，应用进入显示领域。
80年代以后，出现了GaAlAs的LED，其封装技术也逐步提高，红、黄色LED光效可达10 lm/W。
90年初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿光、蓝光的GaInN两种新材料开发成功，使LED光效得到大幅度提高。
1993年日本日亚化学公司率先在蓝色GaN LED技术上突破并很快产业化，进而于1996年实现白光LED之后，1998年推向市场，为LED找到了照明的新舞台。
白光LED得到了迅速发展，并在普通照明领域显示出良好的应用前景。
表1.1列出LED的发展进程。
如今LED已经广泛应用于仪器仪表、交通照明如城市交通、铁路、公路、机场、安全警示灯等日常生活领域和科学研究领域[3]。
由于LED结构简单，安装灵活方便，能够满足车灯美观大方的要求，因此越来越受到车灯厂商的青睐，在我国汽车工业高速发展的带动下，汽车领域对高亮度LED的需求量预计到2010年将会达到65亿颗左右；而功率型白光LED则作为专用照明光源，也广泛应用于汽车和飞机内的阅读灯、建筑物装饰光源、舞台灯光、城市夜景以及便携式照明光源如钥匙灯、手电筒、背光源及矿工灯等各个生活及工业领域。
表1.1 LED发展进程
发光材料时间说明
GaAsP 六十年代低效的红色LED
GaP 七十年代高发光效率的红
色LED
GaAlAs 八十年代进一步提高发光
效率，超高亮度红色
LED
InGaAl 九十年代MOVPE技术得
到发展，白色LED问
世
InGaN 2000年后研制出超高亮度
的绿色和蓝色LED
1.3 LED的特点和分类
大多数LED的工作电为1.5V-4V，耗电少(l 0mA以下即可在室内得到适当的亮度)，可通过调节电流(或电压)来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直流驱动；LED比普通光源的单色性好；发光亮度和发光效率均较高，容易与集成电路配合使用，体积小、重量轻、抗冲击、耐振动、寿命长。
根据LED的发光颜色、出光面特征、结构、发光强度和工作电流等参数的不同，发光二极管可有多种分类方法。
(1)按发光管发光颜色分类
LED按其发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿),蓝光等。
另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。
散射型发光二极管适合做指示灯用。
(2)按出光面特征分类
按出光面特征分，LED可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。
圆形灯按直径分为Φ2mm,Φ4.4mm,Φ5mm,Φ8mm,Φ10mm及Φ20mm等。
(3)LED的半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况，所以从发光强度角分布图来分可以将LED分为三类:
a)高指向型。
一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。
半值角为5°-20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
b)标准型。
通常作指示灯用，其半值角为20°-45°。
c)散射型。
这是视角较大的指示灯，半值角为45°-90°或更大，散射剂的量较大。
(4)按结构分类
按照发光二极管的结构分类，有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
(5)按发光强度和工作电流分类
按发光强度和工作电流的不同，LED可以分为普通亮度(发光强度<< l0mcd )、高亮度(发光强度为10 -100mcd )、超高亮度(发光强度>> 100mcd )等类型。
一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA 以下(亮度与普通发光管相同)。
除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类等其他方法。
1.4 LED测试标准及检测技术研究现状
由于LED的特殊性，无论在尺寸、光通量水平、光谱和空间强度分布方面都与通常所谓的“灯”非常不同。
因此，把光度量从传统的发光强度标准(标准灯)传递到LED并不是一件简单的事情，它包含着很多的不确定性。
LED输出的光和辐射与芯片温度有关的特性，以及光学设计上的巨大差异，使得测试LED并非易事，但如何准确测量它的光和辐射参数却引起了各国工业协会和CIE(国际照明委员会)的关注。
长期以来，LED测试再现性差，不同测试装置之间的测试结果一致性差。
为此CIE 专门成立了“TC2-45 LED测量”和“TC2-46 CIE/ISO关于LED强度测量标准”两个技术委员会专门化小组来研究解决相应的问题。
CIE TC2-34小组在1997年10月22—25日在维也纳总部召开会议,制定并推荐了CIE 127-1997“Measurement of LEDs”(发光二极管测量)，它涉及LED辐射度、光度和色度测量。
发光二极管既是一个半导体二极管，又是一个光源，一般来说作为半导体器件，我们需要测量它的电参数。
电参数是衡量一个发光二极管是否能正常工作的最基本的判据，通常包括正向电流和正向电压，反向电压和反向电流。
作为一个光源，我们需要测量他们的光和辐射在空间分布的能量参数，测量光和辐射能量的光谱分布参数。
第二章相关光度学基本原理
2.1 LED的发光原理
50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960 年。
LED属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
LED结构图如下面图2-1所示：
图2-1 LED的结构图
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片。
常规的发光二极管芯片的结构如图2-2所示，主要分为衬底，外延层（图2-3中的N型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P型氮化镓），透明接触层，P型与N型电极、钝化层几部分。
钝化层的作用是保护透明接触层[4]。
图2-2 常规InGaN/蓝宝石LED芯片剖面图
图2-3 InGaN LED芯片俯视图
在p 型半导体和n 型半导体之间存在一个过渡层，称为p－n结。
跨过此p－n 结，电子从n型材料扩散到p区，而空穴则从p 型材料扩散到n 区，如图2-4（a）所示。
作为这一相互扩散的结果，在p－n结处形成了一个势垒，阻止电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态（见图2-4（b））。
当外加一足够高的直流电压V，且p 型材料接正极，n型材料接负极时，电子和空穴将克服在p－n结处的势垒，分别流向p 区和n 区。
在p－n结处，电子与空穴相遇[5]，复合，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量将以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。
这就是发光二极管的发光原理。
（见图2-4（c））。
通过材料的选择可以改变半导体的能带带隙，从而就可以发出从紫外到红外不同波长的光线，且发光的强弱与注入电流有关。
例如，由目前流行的第三代半导体材料——GaN所制成的LED光谱分布很宽，可以从紫外
的380nm ，到蓝色的465nm ，直至翠绿色的525nm 。
图2-4 发光二极管的工作原理（a ）电子和空穴扩散（b ） 形成势垒（c ） 电子和空穴复合发光
2.2 LED 的封装
e i e i ηηφ= (2-1)
从上式LED 发出的光通量正比于量子效率和转换效率，以及注入电流。
要是发出的光真正得以输出，正确的封装尤为重要。
其次，由于LED 发出的总光通量有限，在封装时还要考虑到使用用途，使其有限的光能得以有效的利用。
由于以上因素，使得LED 的封装形状和光能输出各式各样，从发光面形状，有圆形的，方形的。
从光束上分有聚焦的，有发散的，还有平行光束的。
有如下表达式：
I ＝ΩΦV ＝2V
d S Φ (2-2)
从物理上看，这里的平均发光强度的概念，不再与发光强度的概念关联得那么紧密，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关[6]。
2.3 LED的主要特性
2.3.1 光谱分布、峰值波长和光谱辐射带宽
发光二极管所发之光并非单一波长，其波长具有正态分布的特点，在最大光谱能量(功率)处的波长成为峰值波长。
峰值波长在实际应用中其意义并不是十分明显，这是因为即使有两个LED的峰值波长是一样的[7]，但它们在人眼中引起的色感觉也是可能不同的。
光谱辐射带宽是指光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔，它表示发光管的光谱纯度。
GaN基发光二极管的光谱射带宽在25至30nm范围。
2.3.2 光通量
LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量（单位是流明（lm）），是指LED向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量[8]。
但要考虑人眼对不同波长的可见光的光灵敏度是不同的，国际照明委员会(CIE)为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件(亮度为3cd/m2以上)下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V (λ )，它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图2-5所示，其中V’(λ )为暗视觉条件(亮度为0.001cd/m2以下)下的光谱光视效率。
例如一个100 W的灯泡可产生1500lm，一支40 W的日光灯可产生3500lm的光通量。
图2-5 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数
通常，光通量的测量以明视觉条件作为测量条件，在测量时为了得到准确的测量结果，必须把LED发射的光辐射能量收集起来，并用合适的探测器(应具有CIE标准光度观测者光谱光效率函数的光谱响应)将它线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。
这里可以用积分球来收集光能量，如图2-6。
图2-6 积分球结构示意图
积分球又叫光度球，是一个球形空腔，由内壁涂有均匀的白色漫反射层(硫酸钡或氧化镁)的球壳组装而成，被测LED置于空腔内。
LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，使整个球壁上的照度均匀分布，可用一置于球壁上的探测器来测量这个与光通量成比例的光的照度。
基于积分球的原理，图2-6中挡屏的设计是为了避免LED光直射到探测器。
球和探测器组成的整体要进行校准，同时还要关注探测器与光谱光视效率V(λ )的匹配程度，使之比较符合人眼的观测效果[9]。
2.3.3 发光强度
发光二极管的发光强度取决于p－n结中辐射型复合机率与非辐射型复合机率之比，通常是指法线方向上的发光强度。
若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr（即一单位立体角度内光通量为1 lm）时，则称其发光强度为前面已出现，符号为cd。
由于早期LED的发光强度小，所以发光强度也常用毫坎德拉（mcd）作单位。
发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小(这种要求被称为远场条件)。
但是在LED测量的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是LED与探测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，从而严格地说并不能测量得到真正的LED 的发光强度[10]。
为了解决这个问题，使测量结果可通用比较，CIE推荐使用“平均发光强度概念:照射在离LED一定距离处的光探测器上的通量,与由探测器构成的立体角的比值。
其中立体角可将探测器的面积S 除以测量距离d 的平方计算得到。
从物理上看，这里的平均发光强度的概念，与发光强度的概念不再紧密关联，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。
CIE关于近场条件下的LED测量，有两个推荐的标准条件：CIE标准条件A和B。
这两个条件都要求，所用的探测器有一个
面积为1cm 2(对应直径为11.3mm)的圆入射孔径，LED 面向探测器放置，并且要保证LED 的机械轴通过探测器的孔径中心。
两个条件的主要区别是在于：LED 顶端到探测器的距离，立体角和平面角(全角)的不同，如表2-3所示：
表2.3 CIE 平均LED 发光强度标准测试条件
实际应用中，用得较多的是条件B ，它适用于大多数低亮度的LED 光源，高亮度且发射角很小的LED 光源应使用条件A 。
2.3.4 色温
不同的光源，由于发光物质成份不同，其光谱功率分布有很大差异，一种确定的光谱功率分布显示为一种相应的光色，我们可以将光源所发的光与“黑体”辐射的光相比较来描述它的光色。
人们用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色，称作光源的颜色温度，简称色温。
用光源最接近黑体轨迹的颜色来确定该光源的色温，这样确定的色温叫做相关色温[11]。
以绝对温度（k=℃+273.15）K 来表示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色逐渐由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白-蓝变化。
如：当黑体加热呈现深红时温度约为550℃，即色温为550℃ + 273 = 823K 。
2.3.5 发光效率
发光效率：光源发出的光通量除以所消耗的功率（单位是lm/w ）。
它是衡量光源节能的重要指标。
测得发光二极管的光通量后，就可以进一步经计算获得
LED 器件的发光效率。
其计算关系式定义[12]:发光效率:
F F V I ν
νηΦ=
(2-3)
其中F I ，F V 分别是发光二极管的正向电流和正向电压。
2.3.6 显色性
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。
也就是颜色的逼真程度。
国际照明
委员会CIE 把太阳的显色指数（ra ）定为100。
各种类型的光源其显色指数各不相同。
例如：白炽灯的显色指数大于90，荧光灯的显色指数在60至90之间[13]。
2.3.7 正向工作电压F
V
正向工作电压是在给定的正向电流下得到的F I 。
一般是在F I =20mA 时测得的。
以常见的GaN LED 为例，正向工作电压F V 在3.2V 左右。
2.3.8 V －I 特性
在正向电压小于阈值时，正向电流极小，不发光。
当电压超过阈值后，正向电流随电压迅速增加。
由V －I 曲线可以得出LED 的正向电压，反向电流及反向电压等参
数。
正常情况下常见的GaN LED 反向漏电流在R V = -5V 时，反向漏电流R I <10μA 。
图2-7 LED V -I 特性测试电路图
2.3.9 P －I 特性
P －I 特性：即LED 轴向光强与正向注入电流关系特性。
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，因此我们必须使用恒流源控制好各LED 的工作电流，从而使各LED 的亮度达到的一致性。
要研究LED 工作电流与亮度的关系，我们就必须测量它的P －I 特性[14]。
（a ）电路图 （b ）装置图
图2-8 LED P-I 特性测试
LED 光强的测量是按照光度学上的距离平方反比定律来实现的。
我们的测量电路及装置如图8 和9 所示。
根据CIE127-1997 标准，取LED 到探测器端面距离d ＝100mm ，探测器接收面直径a ＝11.3mm 。
2.4 小结
本章了解发光二极管的发光机理、光学特性与电学特性。
接下来根据LED 的发光效率公式讨论电流对LED 的发光效率的影响，通过实验测量红光和绿光LED 的光通量。
第三章 实验设计
本章主要介绍试验系统总体设计，包括实验的用具，实验的记录和数据处理。
3.1 实验用具
实验用具：LED （绿光和红光）、精密数显直流稳流稳压电源、积分球（Φ＝30cm ）、多功能光度计（图3-1）。
光功率计、直尺、万用表、导线。
图3-1 测量光通量Φ和V -I 特性
3.2 实验记录与数据处理 3.2.1 LED 光通量的测量
（1）测量红光LED 的光通量，记录数据如下表3-1所示，其中：功率P=U*I ，发光效率P
Φ=
η。
根据表3-1数据，在Origin 中作出发光效率η随功率P 的变化曲线，并进行S 曲线拟合，得图3-2，可看出，红光LED 的发光效率随着功率的增加而增加，最后趋于平衡。
表3-1 红光LED 光通量测量数据
U(V) 1.73 1.76 1.81 1.86 1.88 1.92 1.94 1.96I(mA)012357810P(mW)0.00 1.76 3.62 5.589.4013.4415.5219.60Φ（lm）0.030.060.160.320.500.740.91 1.18η(lm/W)34.0944.20
57.3553.1955.0658.6360.20
U(V) 1.97 1.99 2.00 2.01 2.02 2.05 2.06 2.07I(mA)1112141516192123P(mW)21.6723.882830.1532.3238.9543.2647.61Φ（lm） 1.28 1.45 1.70 1.85 1.95 2.40 2.64 2.89η(lm/W)
59.07
60.72
60.71
61.3660.33
61.62
61.03
60.70
10
20
30
40
5030
354045505560
65发光效率η(l m /W )
功率P(mW)
B
Boltzmann fit of Data1_B
图3-2 红光LED 的η-P 曲线
（2）测量绿光LED 的光通量，记录数据如下表3-2所示：
表3-2 绿光LED 光通量测量数据
U(V) 2.83 2.87 2.94 3.04 3.07 3.10 3.13 3.18I(mA)01234578P(mW)0.00 2.87 5.889.1212.2815.5021.9125.44Φ（lm）0.95 1.21 1.80 3.03 3.63 4.07 4.83 6.14η(lm/W)421.60306.12
332.24295.60262.58220.45241.35
U(V) 3.20 3.23 3.24 3.26 3.28 3.29 3.31 3.33I(mA)911121315161820P(mW)28.8035.5338.8842.3849.2052.6459.5866.60Φ（lm） 6.667.588.178.749.559.9710.6711.29η(lm/W)231.25213.34210.13
206.23194.11189.40179.09169.52
U(V) 3.35 3.37 3.38 3.39 3.41I(mA)
22
24262830
P(mW)73.70
80.8887.8894.92102.30Φ（lm）12.0712.7413.3813.8414.61η(lm/W)163.77
157.52
152.25
145.81
142.82
根据上表数据，在Origin 中作出发光效率η随功率P 的变化曲线，并进行指数衰减拟合，得图3-3，可以看出，绿光LED 的发光效率随着功率的增加而指数衰减。
20
406080100
120
100
150200250300350400450
发光效率η(l m /W )
功率P(mW)
B
ExpDec1 fit of Data1_B
图3-3 绿光LED 的η-P 曲线
3.2.2 测量V-I 特性
本部分实验注意事项如下：LED 安装时应分清正、负极（长脚端为正），严禁反装，以免烧毁。
在进行LED 的V －I 特性和LED 的P －I 特性测量时，工作电压禁止超过4V ，避免烧毁。
（1）测量绿光LED 的V －I 特性，记录数据如下表3-3所示：
表3-3 绿光LED 的V －I 特性数据
U(V) 3.00 3.03 3.06 3.09 3.12 3.15 3.18 3.21I(mA)01223557
U(V) 3.24 3.27 3.30 3.33 3.36 3.39 3.42I(mA)9131416202428
根据上表数据，在Origin 中作出电压U 随电流I 的变化曲线，并进行指数增长拟合，得下图3-4：
3.1 3.2 3.3 3.4
3.5
5101520
2530电压U (V )
电流I(mA)
B
ExpGro1 fit of Data1_B
图3-4 绿光LED 的V －I 特性曲线
从上图可以看出，绿光LED 的电压随着电流的增加而指数增长。
(2)测量红光LED 的V －I 特性，记录数据如下表3-4所示：
表3-4 红光LED 的V －I 特性数据
U(V) 1.82 1.84 1.85 1.86 1.88 1.90 1.92 1.93I(mA)01123355
U(V) 1.94 1.96 1.97 1.98 2.00 2.01 2.02 2.04I(mA)679911131416
U(V) 2.05 2.06 2.08I(mA)181922
根据上表数据，在Origin 中作出电压U 随电流I 的变化曲线，并进行S 曲线拟合，得下图3-5：
51015
20
25
1.80
1.851.901.95
2.002.05
2.10电压U (V )
电流
I(mA)
B
Boltzmann fit of Data1_B
图3-5 红光LED 的V －I 特性曲线 从上图可以看出，红光LED 的电压随着电流的增加而指数增长。
3.2.3 测量P －I 特性
把LED 灯和光功率计安装好，两者相距大约10cm （功率计读数很不稳定，应找一恰当的相对位置），开始记录数据：
（1）测量红光LED ，在光功率计上输入的波长为670nm ，LED 灯和光功率计的距离约为8cm 。
表3-5 红光LED 的P －I 特性数据
U(V) 1.84
1.86 1.88 1.90 1.92 1.94 1.96 1.98I(mA)02234679P(μW） 4.800 6.8508.68510.5513.2417.4620.5626.18
U(V) 2.00 2.01 2.03 2.04 2.06 2.08I(mA)111213161720P(μW）30.66
34.59
38.10
43.08
49.11
56.73
根据上表数据，在Origin 中作出功率P 随电流I 的变化曲线，并进行线性拟合，得下图3-6：
5
10
15
20
1020304050
60功率P (μW )
电流I(mA)
图3-6 红光LED 的P －I 特性曲线
线性拟合结果为：
Y = A + B * X
Parameter V alue Error R SD N P ------------------------------------------------------------
A 2.6695 0.56386 0.9976 1.2051 14 <0.0001
B 2.64936 0.05311
（2）测量绿光LED ，在光功率计上输入的波长为555nm ，LED 灯和光功率计的距离约为8cm 。
表3-6 绿光LED 的P －I 特性数据
U(V) 3.00 3.03 3.05 3.07 3.10 3.13 3.15 3.18I(mA)01222345P(μW）68.1079.5490.5998.85115.4135.9151.3172.0
U(V) 3.21 3.23 3.25 3.29 3.30 3.33 3.35 3.38I(mA)6891213161722P(μW）194.6
213.8
233.2
273.6
292.7
320.8
343.4
384.3
根据上表数据，在Origin 中作出功率P 随电流I 的变化曲线，并进行线性拟合，得下图3-7：
05101520
25
50
100150200250300
350400功率P (μW )
电流I(mA)
B
Linear Fit of Data9_B
图3-7 绿光LED 的P －I 特性曲线
线性拟合结果为： Y = A + B * X
Parameter V alue Error R SD N P ------------------------------------------------------------
A 82.93744 6022235 0.9982 16.00645 16 <0.0001
B 15.09083 0.62507 从图3-6和3-7中可以看出，红光和绿光LED 的发光功率随电流增大而增大，而且线性相关系数非常接近1，说明LED 发光功率是随电流线性变化的。
还可看出，红光和绿光LED 都存在一阈值电压，当电源电压小于阈值电压时，LED 不工作，无电流输出。
当电压大于此电压时，电流随电压增大而急剧增大。
3.3 结果与讨论
根据实验数据和分析知道，而从图3-2看出LED的发光功率随着功率迅速增加，在功率达到28mW时达到最大，此时发光效率是60lm/W。
从图3-3看出LED的发光效率随着功率的增加开始缓慢减小，随着功率继续增加，发光效率降低的速度也越来越快。
这种现象是在半导体照明中遇到的最大障碍之一。
即发光效率与功率不能同时达到最大，但是可以通过分析这种现象产生的原因来尽量克服和减小这一矛盾。
发光效率随功率增加而减小的主要原因有：
(1)在相同的热阻下，功率的增加必然导致芯片温度升高，增加载流子非辐射复合几率，导致辐射复合几率下降，造成发光功率随着功率增加而下降，这也是光通量和功率关系中出现饱和现象的原因。
解决这一问题的途径之一就是降低pn结到环境的热阻，如使用倒装芯片、共晶粘片、低热阻封装等，使得pn结维持在较低温度；另一种方法是改进材料生长工艺，降低芯片外延层的缺陷密度，不仅能够更加有效地减小非辐射复合几率，提高发光效率，而且可以大大提高芯片的工作温度和可靠性；
(2)随着功率和电流密度的增加，会出现所谓“电流泄漏”现象，即发生在pn结结区的载流子复合几率下降，造成LED发光效率降低。
通过设计新型发光层结构。
如优化量子阱结构、增加电子反射层、采用量子隧结构等，都有可能减小电流泄漏对发光效率的降低。
从图3-6、图3-7可以看出电流跟功率成线性关系，可知电流的变化影响着LED的发光效率，电流增加，LED发光效率降低，这是因为注入势阱中的电子增多，使更多的电子扩散出势阱，发生无辐射复合，降低了芯片内量子效率，从而降低了发光效率[15,16]。
