半导体光源特性测试

1、第一部分光源的研究与实验实验一、LED光谱测量实验目的LED灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度分布特性与光谱特性是人们普遍关心的重要特性，也是难于测量的特性。光源的光谱内含有丰富的信息，为此人们研制出各种光谱探测器进行物质化学成分的分析。安排这个实验有助于学生了解LED发出的光谱成分，并深入掌握光谱探测器的特性，更合理地运用它分析不同光源的光谱。不同颜色与种类的LED发出的光谱辐射带宽与功率分布差异很大。在用LED构成大屏幕显示器应用领域为获得不同颜色的显示效果，必须对所用的LED器件进行光谱特性的测量，以便正确地配制出各种颜色的图案。实验原理LED发光光谱特性既有别于LD（半导体

2、激光器）又有别于钨丝灯等热辐射体的发光，它的单色性远不如LD,但光谱范围是有限宽度的，具有较好的单色性，当然通过二次光致发光获得“白光”的LED光谱较为丰富，但是仍然无法与钨丝灯等热辐射体的发光光谱相比。描述LED发光光谱特性的方法是测量它的光谱辐射带宽与功率分布。光谱仪涉及到光源的概念包括缓存参考光（将当前采集的光谱缓存为参考光），减去背景光（减去已经缓存的背景光），缓存背景光（将当前采集的光谱缓存为背景光）等。光谱探测器进行物质化学成分分析中对物质测量模式有普通模式、吸收率模式、透射率模式、反射率模式，其测量公式如下：吸收率模式：测量物品对特定波长的吸收率A=1.0-（测量光-背景光）/（

3、参考光-背景光）*100%透射率模：参考光源对特定波长对待测量物品的透射率T=（测量光-背景光）/（参考光-背景光）*100%反射率模式：参考光源照射到待测量物品后反射光强的透射率R=（测量光-背景光）/（参考光-背景光）*100%注:A+T=1;A+R=1比阳H打i瞪入肘按縫光纤束比说仪内部.SMA905CCDW列怡测賠图1光纤光谱仪工作原理图3.实验仪器光纤光谱测试仪1台；白、红、蓝、绿LED灯各一只LED灯座1只4实验步骤1，搭建实验平台给发光二极供电，数字光谱仪与电脑连接，将光谱仪的探头安放在固定架上拧开盖帽。将二极管正对着光纤端口，打开电源开关，注意驱动电压小于额定电压（推荐2v），

4、如图1。图1搭建实验平台启动软件工作模块，图中显示了光谱测量和颜色测量这两个子功能模块。点击相应的按钮或在菜单-窗口中点击相应选项即可以进入功能模块。在下一次启动前，程序会自动进入最后一次打开的功能模块。光谱仪连接如图2。E师连按伏志QSticuUiPto应用:極宇甘侨宜用:光潸井祈月制量-1圜图2光纤光谱仪软件界面选择光谱仪后面的绿色按钮表示已经和光谱仪相连接；红色表示已经和光谱仪断开连接。在操作上，程序打开和插入光纤光谱USB接口并没有顺序上的限制，先打开程序或先连接光纤光谱仪都能使系统正常运作。在程序运行过程中因为某些需要移除光纤光谱仪后，系统会出现提示。当光谱仪再次插入电脑时，程序会自

5、动连接光谱仪，不需额外操作。点击选择光谱仪跳出如下所示对话框。可以在对话框中组合框选择已连接的光谱仪，如果组合框空白，表示没有光谱仪跟电脑相连接，这时需要插入光谱仪USB接口。当选择需要的光谱仪后点击确定按钮，立刻连接光纤光谱仪，并开始正常工作。如图3.图3选择光谱仪查看已连接的光谱仪的信息，可以参看光谱仪的技术参数设置。如图4。F-S30DD电洱三適讦僚口：5fttiiJ3t=A/D轻换：S2000-120013A计3EMUSB口供电USB10戎USB20细1ESBY砂L日位AD特燥芯片煤阿辅;瞑卅P寸闻:-F1-1=11：匸泊:3:代卍L-TElh:矽R-辨卒：ToshibaTCDL305

6、JffiCCD3648元(50RS2gasSflASDSGOujti0.Oran:屮-r:-.-H图4光谱仪信息测量至少三种LED发光二极管的光谱记录数据和图形，如图5。图5光谱仪测光源光谱界面1、习题和思考写出实验报告思考光谱分析的实验误差主要来自哪里？还有什么可以改进的地方?实验二、光源与光度辐射度参数的测量实验目的学习光本性的基本常识，巩固光电技术中关于光的度量内容，并掌握光电综合实验平台所用光源的发光特性；通过对光源照度的调节与测量，熟练进行光电实验过程中所用数字仪表使用方法为后面实验做技术准备。实验仪器光电综合实验平台主机系统1台；发白光的LED平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各

7、1个；实验原理LED的发光原理光电技术中的光源已经逐渐被LED发光二极管光源所替代。LED发光二极管为PN结在正向偏置下发光的特性。有些材料构成的PN结在正向电场的作用下，电子与空穴在扩散过程中要产生复合。复合过程中电子从高能级的“导带”跌落至低能级的“价带”，电子在跌落过程中若以辐射的形式释放出多余的能量，则将产生发光或发辐射的现象。如图1为注入式LED能带结构，扩散运动中的电子从导带跌入到价带时以辐射的方式释放出多余的能量。它将发出峰值波长久m的辐射，式中，Eg为半导体材料的禁带宽度。he(1)电子注入2TH图1注入式LED能代结构除了具有发各种单色光谱的发光二极管（LED）外，还可以在发

8、蓝光的发光二极管上涂荧光物质，由于蓝光LED的光谱能量很强，荧光物质将其转换成含有各种光谱成分的光谱集合，表现为发出复合波长的“白光”，常称其为白光发光二极管。如图2所示，LED发光二极管发出的光亮度L与流过LED的电流强度I成正比。因此，可以通过控制电流来控制（或调整）发光二极管的亮度，即可以通过改变发光管的电流改变投射到探测器表面上的照度,这就是LED光源具有的易调整性。利用它的易调特性很容易设计出电光调制器,光纤通讯技术中常用LED的这个特性实现长距离的通讯。10_|I10100J000图2疔亮度与电流密度的关系另外，发光二极管属于半导体发光光源，它具有体积小、发光效率高、寿命长、发光强

9、度易于调节等特点，被广泛应用于测量仪器与照明灯的光源，鉴于LED的诸多优点，所以被我们选为光电实验平台的光源。光度参数与辐射度参数光源发出的光或物体反射光的能量计算通常是用“通量”、“强度”、“出射度”和“亮度”等参数进行度量，对于探测器而言，常用“照度”参数。测量探测器表面的照度是十分重要的问题，许多实际问题常需要通过对照度的测量来分析或计算其他参数。为此这里我们主要讨论照度参数辐照度或光照度均为单位探测器表面所接收的辐射通量或光通量。即Er=或E.二罕：1丈；丫（2）式中S为探测器的面积。上式也是通过测量照度来测量光源功率的公式。点光源照度与发光强度的关系实验从所周知，各向同性的点光源发出

10、的光所产生的照度与发光强度Iv成正比，与方向角的余弦（C0S）成正比，与距离光源的距离平方（12）成反比。既可由下式表示(3)4.实验步骤从实验元件盒中取出各种单色的LED发光管，把LED发光二极管插入通用实验装置，光源和照度计探测头与LED光源相对安装在一起，在光学平台上构成实验测量装置，可以用照度对LED的发光特性进行实验。但是必须注意，照度的概念是探测表面光照特性的描述，它与距离LED光源的距离有关，因此，必须注意这一特性。将LED的引线和电流表按着如图4所示的发光管发光特性实验电路。在测量电路中用50Q固定阻值电阻与lkQ电位器相连接，便于调整流过LED发光管的电流ILED在发光二极管

11、的供电电路中串入数字，电流表测量流过LED的电流ILed。平台上提供了自动切换量程的数字照度计，可以直读出不同工作电流下LED发出的光照度。图3LED光源和照度计探头打开实验平台的电源开关，在发光管未点亮时测出暗背景照度Eb；然后，通过串入发光二极vb管的lkQ电位器调节发光电流ILED，记录不同发光电流ITED下的光照度E，将其填入表1；LEDLEDv改变LED与光电探测头间的距离，再重复进行上述实验，分析数据变化的原因。将LED与光电探测头间的距离L锁定，找出电流ILED与照度间E的关系。LED图4LED实验电路参数123ILEI(mA)Ev(lx)表1照度测量数据表45676）光照特性（

12、发光强度测量）实验步骤将如图3所示的LED实验装置安装在GDS-W型光电综合实验平台的导轨的一端左端，）并将其连线插入到左侧电源插孔中，使其发出稳定的光强；将平台提供的照度计探头安装在右侧导轨上，将其连线插头插入中部插座内，与照度计连接，测量LED发出的照度；测量出照度计探头与LED光源之间的距离l,然后将遮光罩扣在平台导轨上方，使外接环境光不能影响测量结果，测出此时的照度；重复实验步骤测量3个位置（I.l2、13）所对应的照度（E、E2、E3）值，由于照度计探头垂直于LED的主光线，既COS=1，测量出3个已知距离下的照度值不难依据式（2.1-7）计算出光源的发光强度IV值。6.关机与结束所

13、测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理则应重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；将实验所用仪器收拾好，再请指导教师检查，批准后离开实验室。实验三LED角度特性参数测量实验（选做）实验目的LED（发光二极管）是非常有发展前景的半导体发光器件，是将来取代钨丝灯、日光灯、照明灯、高压汞灯与其他系列灯具的节能替代产品丄ED灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度的空间分布特性是人们普遍关心的重要特性，安排这个实验有助于我们深入掌握它的特性，更合理地应用它为人类照明与视觉效应服务。实验仪器GDS-III型光电综合实

14、验平台1台；LED发光特性测试仪1台；实验内容发光强度空间分布特性与偏差角0根据中国光学光电子行业学会2002年制定的“发光二极管测试方法,LED发光强度的空间分布特性是指器件发射出的光强IV或Ie参数与空间方向角6的函数关系Iv=f（%显然，6角度一般取为LED器件的“机械角”,机械角的定义为器件几何尺寸的中心线或法线为其零度角。由于LED封装工艺问题使LED器件存在发出光强度最大的方向（称为主光线）与机械轴并不重合，产生如图1所示的偏差6，称其为偏差角或偏向角。测量偏向角对于正确使用LED为光源，尤其是使用LED群构成面光源或彩色图像显示中具有非常重要意义。DD光轴Hl.fcXZ7机械轴!

15、W7Iriiiix图1LED发光的空间分布特性半发光强度角01/2如图i所示，led的另一个重要参数是“半发光强度角e/2，半发光强度角e1/2是描述LED发光范围的参数。为获得更宽，更均匀的面光源，总希望LED半发光强度角e1/2更大些，而有些应用场合希望LED能够将光投射到更远的地方，或在更远处获得更强的照度，则又要求LED的半发光强度角e1/2尽量小，使光能量不至于太分散而损耗过大。为满足不同应用的要求，生产出多种不同封装形式的LED器件，以便满足不同应用对LED半发光强度角e1/2的需求，获得理想的效果。4.实验步骤熟悉LED发光角度特性测试仪如图2所示为YHLA-II型LED发光角度

16、特性测试仪的外形图，它由LED安装夹具（右侧）、标准立体角光电接收装置（接收筒、）角度读出度盘、光电探测器输出数字电压表（左面第1块数字电压表、跨接在LED两端的数字电压表、串联LED中的数字电流表、控制LED工作电流大小的调整旋钮、控制LED工作电压的调整旋钮、控制LED的工作电压极性的转换开关（正、反向切换按键）和电源开关等部件构成。LED安装夹具主要用来安装被测LED发光管，使LED管芯发光部位恰好在读数度盘的回转中心上。度盘的刻度位于回转度盘前方窗口的下方（读数窗），便于操作者随时读取转角的刻度。LED安装夹具的上方有一个锁紧顶丝，松开顶丝后LED灯可以前后调动和转动，使LED灯前端点

17、能够置于机械回转中心上。光电接收装置（接收筒）中安放一只直径17mm的硅光电池它对LED发光中心所成的立体角为O.OOlsr,符合“中国光学光电子行业学会光电器件专业分会”对LED发光角度特性测试方法的基本要求。转动度盘从度盘前端的角度显示窗口中直接读出LED的转角，为各种角度测试提供准确的数据。三块数字表的下方分别有三位切|釦仁训寸渔n肛源JTX输出辿字业儿&LEDillJfeJc/LEPlfcMa/OJLOl图2LED发光角度特性测试仪结构图换开关，对数字电压表或数字电流表的量程进行切换。其中I档量程最小，III档量程最大。由于测量硅光电池输出的数字电压表在实验过程中很难出现高于200mV

18、的电压，因此可以只使用I档量程，其示值（读数为mV）LED的安装与校准先将LED的两只管脚插入夹具上的两个小孔中（注意标有黑点的小孔为负极，应插入较短的管脚，插入后便可开机。开机后LED被点亮（如果不亮，请检查是否插错了管脚,）读电流表的示值，注意不要超过管子的最大允许电流（应该控制在20mA之内。）可以通过电流调节旋钮进行调节，调好后，不再改变。松开顶丝，转动LED及其夹具，使左侧电压表的读数最大，轻轻地拧顶丝，然后将如2所示的定位准标具插入中心孔，再旋松顶丝，使LED轻轻地顶到标准具的孔，然后旋紧顶丝，撤去标准具。测量LED的发光强度分布测量机械轴与光轴的偏差角，如图3所示为测量LED发光

19、角度特性的实验原理图，图中的三道光栏与硅光电池构成一个空间立体角，空间角的轴线是固定的，记为PD轴。LED发光管的机械轴由其外形尺寸决定，YHLA-II实验仪的LED夹持器具将其机械轴与PD轴共轴（用LED装置前的定位销钉定位）定位后，度盘的刻度值为0。LED发出的光只有进入到标准立体角内的部分才能被硅光电池PD所接收。当安装在夹具上的LED灯发出的光沿Z轴最大时表明它的光轴与机械轴重合，转动旋转度盘使度盘刻度为0，观察并读出输出电压值。然后再转动度盘，边转动边读输出电压，当数字输出电压的示值达到极值Um时，停止，记录此时度盘的角度am，am既为LED的光轴与机械轴的偏差角。光栏图3LED发光

20、角度特性测量原理图测量时要注意LED发光角的轴线是空间分布的如何找到LED的光轴是很重要的问题，需要旋转LED，使所测量的光轴是真正的光轴。测量LED半发光强度角3/21/2半发光强度角e1/2的测量方法与偏差角卜e的测量方法极为相似，找到光轴后，记录度盘的角度am然后，先顺时针转动手轮，使LED绕发光中心顺时针转动，当数字电压表的示值为极值U的一半时，记录此时度盘的角度值aR再逆时针mR转动手轮使LED绕发光中心逆时针转动再使数字电压表的示值为极值Um的一半，记录此时度盘的角度值aL则LED的半发光强度角e1/2应为01J2=I丘测量LED半发光强度角e1/2时也要注意LED发光角的轴线是空

21、间分布的找不准LED的光轴就不能测出真实的发光半角，实验过程中应该旋转LED,使接收器的输出为最大值才能找到真正的光轴。思考题分析上述实验过程中为什么要旋转被测LED?如何能找到LED的真正光轴？如果大屏幕用的LED光源要求具有宽范围的视角应如何选用LED的半发光强度角e1/2？如果要用LED光源作为尺寸测量系统的远心照明光源，应如何选用其半发光角？关机与结束将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新作上述实验；若合理，可以关机；先退出计算机软件，关掉计算机电源，再将实验平台的电源关掉；将所用的配件放回配件箱；将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，

22、批准后离开实验室。实验四PWM调光控制实验（选做）1引言随着半导体技术的飞速发展，发光二极管（LED）得到了广泛应用。LED具有发光效率高、驱动电压低、长寿命、低功耗、高可靠及安全环保等优点，作为继白炽灯、荧光灯新型照明光源，具有庞大的照明市场和显著的节能前景。在LED照明的应用过程中，光照的强度及分布情况是照明设计的首要要求。不同的环境、环保、舒适度要求等情况下，均需要对光源进行亮度调节。实验目的了解LED亮度调节的原理和方法。实验原理LED调光是指通过调光器调节LED的亮度，达到节能、环保、舒适等效果。调光器的原理有波宽控制调光（PulseWidthModulation,简称PWM），模拟调光。模拟调光，指用模拟线性技术调整电流的大小，只是简单的改变LED串的DC电流。模拟调光尽管实现简单，不会引入潜在EMC，但是由于LED的发光特性随着平均驱动电流而偏移，对于单色LED来说，