LED物理特性研究

LED 物理特性研究实验

【实验目的】

1.了解LED 的结构、发光机制和物理特性。

2.

自主设计测量方案，研究LED 的伏安特性、光学特性及热学特性。

【实验内容】

1.自主设计电路发光测量二极管的I-V 特性，测量LED 的开启电压。（必做）

2.测量LED 的I-P 特性。（必做）

3.LED 的I-V 特性温度效应研究。（必做）

4.LED 的I-P 特性温度效应研究。（必做）

5.

LED 的光谱特性研究

【课前预习】

1.查阅参考文献资料，学习各种光电传感器的工作原理及物理特性。

2.

思考伏安特性、光照特性、光谱特性测试的实现方法。

【实验原理】

1、LED 的I-V 特性

LED 多以III-V 族或II-Ⅵ族化合物半导体材料为主制成pn 结的光电器件。它具备pn 结结型器件相似的电学特性。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，如图4所示。

(1)正向死区：（图oa 或oa′段）a 点对应的电压Va 为开启电压，当V＜Va 时，外加电场尚克服不了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：当V ＞a V 时，显示出欧姆导通特性，正向工作区电流F I 与外加电压呈指数关系：

mkT

V

F e

I I 0=（1.4）

式中m 为复合因子，k 为波尔兹曼常数，T 为温度。（3）反向死区：V ＜0时，向pn 结加反向偏压

图1

LED 的V-I 特性曲线

R V V ?=时，反向漏电流R I （V=-5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。

（4）反向击穿区V ＜-R

V ，R V 称为反向击穿电压；R V 电压对应的R I 为反向漏

电流。当反向偏压一直增加使V ＞-R V 时，则出现R I 突然增加而出现击穿现象。由于所用半导体化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压R V 也不同。目前已有反向击穿电压超过-200V 的LED 问世。2、发光二极管的I-P 特性测量

在结构上，由于LED 与LD 相比没有光学谐振腔。因此，LD 和LED 的功率与电流的P-I 关系特性曲线则有很大的差别。LED 的P-I 曲线基本上是一条近似的线性直线。

从图中可以看出LD 的P-I 曲线有一阈值电流th I ，只有在工作电流F I >th I 部分，P-I 曲线才近似一根直线。而在F I

3、LED 的I-V 曲线温度效应

由于光电子器件是由半导体材料制成，而半导体材料对温度异常敏感，因此温度对LED 的光电特性影响也很大。随着温度的增加，LED 的电流阈值逐渐增大，外微分量子效率逐渐减小。电流阈值与温度的近似关系可以表示为：

()()exp[()/

T T I I T T T th th r r =-（1.6）

式中，T r 为室温，)(T r I th 为室温下的阈值电流，T 0为特征温度。不同温度下，LED 的V--I 曲线如图7.所示，根据此图可以求出LED 的特征温度。

4、LED 的功率特性曲线与温度的关系

因为LED 外部发光效率与温度密切相关如图8.所示，而且制备LED 芯片的材料不同，功率特性曲线与温度依赖关系有所不同，通过研究LED 功率特性曲线与温度关系，为LED 的封装结构和散热热沉设计、以及LED 应用设计提供相关参考数据。

图3.LED 的I-V 曲线温度效应

P

图4.LED功率与温度的关系

【实验仪器】

LED物理特性综合实验仪1台；光功率计；不同波段的LED8只；电源线和连接线若干，温控系统；光栅光谱仪等。

【实验程序】

1.仪器及元器件的准备，组装仪器并测量不同波长LED的I-V特性。（必做）

2.比较不同芯片材料的LED发光二极管的伏安特性的参数和开启电压Va有无变化。（必做）

3.测量不同波长LED的I-P特性。（必做）

4.测量不同温度下LED的I-V特性。（必做）

5.测量不同温度下LED的I-P特性。（必做）

6.LED的光谱特性研究（选作）

【注意事项】

1.注意光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。

2.光电二极管偏压不要接反。

3.连线之前保证电源关闭。

4.在实验过程中电流表的量程应先打到最大，再逐步打小。

5.LED的驱动电源同时间只能点亮一种波长的灯。

6.LED驱动电源模块、电压表&电流表模块的供电电压正负极不要接反。

【思考问题】

1.LED的发光机理是什么？LED有哪些基本特性？

2.LED作为新型光源有何优缺点？

3.根据LED的物理特性，你能提出一种LED的应用设计方案吗？

【背景介绍】

1.LED 基础知识介绍

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 是英文light emitting diode 的缩写，它的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 的结构如图1.所示。发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n 结。在某些半导体材料的PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，如

图2.所示。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光。LED 发射的光子的光谱范围由参与光辐射复合的导带和价带载流子分布所决定，一般为几十纳米。因为人眼的响应局限于波长为0.4nm 到0.7nm 的范围，所以用来制作可见光LED 的半导体材料的禁带宽度应落在1．8eV 到2．8eV 之间，常用半导体发光二极管（LED），多以III-V 族或II-Ⅵ族化合物半导体材料为主。

发红光的主要有A1GalnP 等，发蓝光、绿光及紫外线的主要有A1GalnN 等，LED 发光的强弱不仅与加在芯片上的电流有关，还与结点的温度有关。

当电子与空穴复合时产生不同波长的

光，而光波长与能量E之间的关系是

图1.LED 结构示意图

a）小功率LED，b）大功率LED

P

N

(a)

E E E E vp

cp vn

cn (b)

图2.PN 结能带图，表征在注入高密度电流时

电子与空穴复合发光的原理

)(1240nm E

E hc ?=?=

λ 1.1

其中，h是普朗克常数；C是光速；E ?是辐射跃迁前、跃迁后的能量差。

对于发光二极管，跃迁前、跃迁后的能量差大体就是材料的禁带能级g E 。因此，发光二极管的峰值波长由材料的禁带能级决定。对于大多数半导体材料来讲，由于折射率较大，在发射光逸出半导体之前，可能在样品内已经过了多次反射。因为短波长的光很容易被吸收，所以峰值波长相对应的光子能量比禁带能级所对应的能量小一些，即峰值波长向长波方向移动（简称“红移”）。

峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的升高而减小。在LED结温上升时，发射谱带峰值波长以0.2-0.3nm/℃的比例“红移”。

LED的发光效率有以下几种表达方式：

1）LED发射的光通量与输入的电功率之比，单位为:流明/瓦（lm/W）；2）发光强度与注入电流之比，单位为:坎德拉/安培（cd/A）；3）输出辐射功率与输入电功率之比，用百分比表示。几种典型的发光二极管的发光效率与波长的关系见表1.所示。

表1.几种典型的发光二极管的发光效率与波长

名称

颜色峰值波长(nm)外部量子效率(%)可见光发光效率(lm/W)

禁带能级（eV）数值平均值4.06.0P A G s a 红6500.50.20.38 1.9s l a A A G 35.065.0红6600.50.20.27 1.9O E P G n a :红7901212.3 2.4 1.77N P G a :绿5680.70.05-0.15

4.2 2.19NN P G a :黄5900.10.45 2.1P G a 纯绿5550.66

0.020.4

2.05N

G a 蓝440 3.5N P A G s a :65.036.0红6380.50.20.90.920 1.96N P A G s a :85.015.0黄5890.2

0.05

0.90

2.1s

a A G 红外

900

1.35

LED发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率在平衡时，电子-空穴对的激发率等于非平衡载流子的复合率（含辐射复合和无辐射复合），而复合率又分别决定于载流子的寿命r τ和nr τ，内部量子效率可由公式（1.2）确定

nr

r

i eo in n n ττη+=

=

11

（1.2）

式中，eo n 为每秒发射出的光子数，i n 为每秒注入到器件的电子数，由式（1.2）可知，只有r nr ττ>>，才能获得有效的光子发射。所有的发光元件都需要具有高的内部量子效率，即产生的光子与进入PN结内的载流子之比，同时也要有高的外部量子效率，即产生的发光光子数目与越过PN结的载流子数目之比，可由公式（1.3）表述。

in

ex

in n n =

η（1.3）

，是由于辐射复合发光的光子并不是全部都能离开晶体

向外发射，光子通过半导体时一部分被吸收，一部分到达界面后因高折射率（折射系统的折射率系数约为3-4）产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有低于临界角的光子发射出去。为了提高外量子效率，研究者设计了很多方法，例如：有生长布拉格反射层(DBR)结构、改善电流分布、衬底剥离技术、倒装结构技术和表面粗化技术等。提高外量子效率的工艺措施有：用比空气折射率高而且透明性能好的环氧树脂（环氧树脂的折射率n=1.55）涂覆在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；用宽禁带的晶体做衬底，以减少晶体对光的吸收。

由于人类已经习惯在白光下生活，所以一直在追求用自光LED来进行照明。目前，利用LED 技术实现白光的方法主要有3种：三基色LED直接混色法、紫外转换法和蓝光芯片加黄色荧光粉的方法，如图3.所示。(1)LED三基色混色法

直接将发射红、绿、蓝波长的三基色芯片组合封装在一起，形成多芯片型白光LED。通过空间混色的原理，按照适当的比例进行匹配，使得3种颜色的光混合成白光。采用此种方法具有效率高和使用灵活的特点。由于发光全部来自发光二极管，不需要进行光谱转换，因此，其能量损失最小，效率最高。另外它是靠调节3种颜色发光二极管的光强来实现白色发光的，因此，在调节发光颜色上具有相对的灵活性。但是这种方法也有自身的弱点，它的安装结构比较复杂，各色LED的驱动电压、发光效率、配光特

性各不相同，需通过电流调节红、绿、蓝三基色的强度，电路实现上较复杂。同时，由于不同颜色的LED管随时问的推移其老化特性不同，导致光强衰减的差异，因此，预先调整好的白色发光由于不同颜色的光强衰减差异造成使用过程中的变色，使混合的白光稳定性较差，

存在温度特性的差异。由于发光全部来自发光二极管，相对成本也比较高。

图3.实现白光的3种方法a)三基色混色法

b)紫外转换法c)荧光粉光转换法

(2)紫外转换的方法

以GaN基紫光LED为基础光源，用LED发出的紫外光激发荧光材料，通过荧光粉实现波长转换发出可见光。最后用于照明的光全部来自荧光材料。要求荧光材料的激发光谱与紫光发光二极管的发射光谱相匹配，这样可以获得较高的光转换效率，荧光材料应为多种不同颜色的荧光材料混合而成。采用越多颜色的荧光材料进行混合，获得的白光的显色性越好，但是同时也增加了系统的复杂性。通常采用红、绿、蓝三种颜色的的三基色荧光材料进行混合。即通过发射紫外的LED辐照混合荧光粉（红+绿+蓝）转换发射白光。这种方法制备的白光LED 具有成本低、显色性好的优势。但由于采用的都是下转换发光，因此必然会导致一些能量的损失。同时，由于是采用紫外光源作为激发光源，还有可能产生紫外污染。

(3)蓝光芯片加黄色荧光粉的光转换法

以GaN基蓝光发光二极管的发出的蓝光一部分用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿色光，另一部分蓝光透过荧光粉发射出来，荧光粉发出的黄绿色光与GaN基蓝光发光二极管发光的透射部分混合形成白光，即白光=蓝+黄的机制。GaN基蓝光发光二极管的选择不仅要考虑发光二极管本身的特性，还应兼顾荧光材料的选择。荧光材料的选择主要有两个必备条件。一是荧光材料的激发光谱必须与所选择的蓝光发光二极管的发射光谱相匹配，目前国际上通常采用波长为460-470nm的GaN基蓝光发光二极管作为基础光源，这样就要求荧光材料的激发光谱在同一谱段，确保获得高的光转换效率。另一个是荧光材料的发射光谱的色品质要求，荧光材料的发射光谱与蓝光发光二极管的发射光谱能够匹配成白光。从CIEl931色坐标图上可以看出，要想匹配成白光，荧光材料的发射光谱应在570nm左右。基于上述技术要求，人们选用了YAG:Ce3+(Y3A15012:Ce3+)作为光转换材料。YAG:Ce3+荧光粉转换效率高，操作上较易实现，且没有紫外成分，不会造成紫外辐射污染，是目前制作白光LED的主要方向。

LED光源具有体积小、耗能少、寿命长、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点,已广泛用于仪器仪表背景光源和指示灯，交通信号灯，手机、计算机、电视等显示屏，室内外照明等各个方面，成为新一代绿色光源。

因而了解LED的发光机理、LED物理结构设计，掌握LED物理特性测试方法，对培养学生运用物理设计思想和LED的物理特性，进行有关LED的基础研究或拓展应用设计颇有益处，对培养大学生的综合实验能力有着很好的促进作用。