2023年发光二极管物理实验报告

张益鑫39032517赵正39032510王冬39032526

第一部分：发光二极管特性的研究

摘要：批注口工]：摘要部分要写出实验做了什么以及得出什

么结论，背景介绍可以放在后面实验原理中写

在我们的生活中,随处可见到各种各样的发光二极管,涉及半导体发光二极管（简称LE

D）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、

米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管,在众多类型的发光二极管中，我们选

择了使用较为普遍的红色LED（图抬1）做为重点，研究了它的内部结构，电学特性,发光特批注[12]:图和表是有区别的不能这样笼统地写，以

下规定相同

性。

图表错误!不能识别的开关参数。1我们重点研究的二极管批注[13]:图或表前后要与正文留出一行的间距，以

下规定相同

*带格式好字体:（默认）Cambria,（中文）黑体-j

实验原理带格式的:正文,左,缩进:首行缩进：0.78厘米一]

批注口的：大题目顶格写]

带格式的:缩进:首行缩进：。字符一

一、发光二极管结构

批注口5]:小题目空两格写

以红色发光二极管为例，我们将其切开,可以清楚的看到其内部结构,它的核心是PN

结，正是由于PN结的单向导电性，所以发光二极管只有通以正向电压时才可以发光，当PN

结承受反向电压时，电阻趋于无穷大,二极管截止，不会发光。

图表错误!未定义书签。2剖开的红色LED

二、LED发光原理

发光二极管是由in-IV族化合物，如硅化钱、磷化钱、磷神化钱等半导体制成的，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（多子）复合而发光，如下图所

示：

图表错误!不能识别的开关参数。3LED发光原理图

三、LED的电学特性

1.LED的常见电学参数

通过查找资料,我们找到了LED的一些常用参数：

1.1允许功耗Pm：允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过

此值，LED发热、损坏。

1.2最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。

1.3最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管也许被击穿

损坏。

1.4正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根

据需要选择IF在0.6-IFm以下。

1.5正向工作电压VF:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。•般是

在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4〜3V。在外界温度升高

时，VF将下降。

2.LED的伏安特性

在LED两端加上不同的电压，测得多组（U-I）值，可以得到LED的伏安特性曲线，

从实验得出的伏安特性曲经可以看出，在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极

小，不发光，而当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增长,二极管发光。由V-I曲

线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流1

R<10nA以下。

图表42.伏安特性曲线批注[16]:序号依次按顺序编

四、发光二极管的光强分布规律

下图给出的发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）A0的坐标为相对发

光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1,离

开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。

图表3-4-理论光强分布图

实验仪器

发光二极管、直流稳压源、万用表、电阻箱、导线、开关、光功率计。

除了以上必须的财料「我佃运用本板,面包板，导线等无件子自己的实验装批注[17]:懿写出所用材料即可，也可在仪器或材

料前后说明一下：如测试性能用，制作应用装置用。

图展错误!未定义书签。5伏安特性测试装置

图表错误!丕能识别的牙关参数。_6光强测试装置［批注08］:最佳在图中标出仪器名称

实验环节

一「，测量发光二极管的伏安特性、批注［19］:建议再测量一下反向的伏安特性曲线，以

保证数据的完整性________________________________

按照下图连接实验电路,其中滑动变阻器用变阻箱代替。由于电流的测试不方便,带格式的:字体:（默认）宋体,（中文）宋体,四号,加盾一

带格式的:字体:（默认）宋体,（中文）宋体,四号,加电：

如前所述，PN结正向导通时电阻很小，假如我们申接万用表在电路里,万用表的内阻带格式的:正文,缩进:左3.27字符,首行缩进：1.47,

字符,行距:单倍行距无项目符号或编号：

会对实验结果导致较大的影响,并且万用表进行电流、电压测量需要改换插头,对于测批注［110］：可以串联电流表吧？|

量会导致一定的不便，因此我们选择采用间接测量的方法，在此法中总电压保持E=5V批注［111］：电压表的内阻一般是几千欧-几十千欧，

当电阻箱的阻值较大是，会不会由于电压表的分流而

不变,测量变阻箱电压”。，由于电阻箱阻值和其两端的压降测量都是相对精确的,我们使结果不准确呢？

进而测得二极管电压"=£一"。，电路中电流由变求得，即可得到二极管的

电流一电压关系，画出相应的伏安特性曲线，为保证二极管在串接较低电阻时也不会

烧坏,我们加入了470欧姆的限流保护电阻。

1.改变变阻箱的阻值，记下多组(R,U)的值，此过程中保持电源总电压不变。

2.由记录的数据算出二极管两端的电压和电流并列表。

3.对数据进行解决,画出伏安特性曲线并进行分析。

A测试二极管的光强分布•批注[112]:-.二编号都保存,不知怎么回事就被划

掉了...

带格式的：秘目符号或编号J

US发光二极管法线方向光强与距离的关系。

U如下图8所示,在本次测量实验中,我们通过电学特性测量与查找资料,在・带格式的:缩进：左侧：2.54厘米，无项目符号蟾号1

保持电源电压5V的情况下，串入150欧姆电阻,使得二极管的工作电流为20

mA,这样的工作电流是二极管的正常工作电流，连好线路后，我们保持单•变量

是发光二极管中心到光功率计接受孔的距离，使发光二极管正对光功率计，改

变接受器的位置，记录光源到接受器原位置和光功率计的读数，在这里为了使

实验现象更为明显，我们选择了光功率计的2OOuw量程,与直径为6mm的接受

孔,从较近位置到较远位置合理选择了一系列的测试点，得到光强与距离的关

系。

图表错误!未定义书签。8发光二极管法线方向光强与距离的关系测避强

带格式的:触:首行缩进：2字符

2.同上图区装置，固定光源到接受器的距离，这里我们选择在测量光强与距

离关系实验中的一个适中位置（65mm）,在这个位置处，光强实数较大，

距离适中，符合一般二极管的使用情况，具有较强的代表性。旋转发光源，

改变发光中心与导轨的夹角，观测光功率计的读数变化,在此过程中保持批注[113]:不需要记录吗？

LED电压各距离不变。批注口14]:这句话是什么意思啊？

3.记录和分析实验数据，并注意发光二极管中心与滑块中心的偏差，测量修正

值，在数据解决中使用修正值使得结果更为精确。批注[115]:有这个修正很好I

数据解决和误差分析

一、发光二极管的伏安特性〕带格式的:缩进:左侧：2.54厘米

1.伏安特性数据记录（变阻箱电压和电阻）

R（欧姆）U（伏）R（欧姆）U（伏）R（欧姆）U（伏）

900003.42525003.2623003.1

800003.41920233.2492503.085

700003.41319003.2452003.065

600003.40618003.2421503.04

500003.39917003.2381003.015

400003.3916003.234903.015

300003.37815003.23803.013

202303.36214003.226703.008

180003.35713003.22603.003

160003.35212003.215502.996

140003.34611003.208452.996

120233.3410003.2402.99

100003.3329003.192352.984

90003.3288003.184302.98

80003.3227003.174252.967

70003.3166003.161202.95

60003.3095003.145152.91

50003.34503.135102.828

40003.2894003.12392.781

30003,2733503.11382.735

2.数据解决和图表分析

根据U=E-U。和/=U0/R变将上面图表中相应的值算出，然后得到如下的伏安

特性曲线：

LED伏安特:性（mA）

1/mA

〔

二

皿

----i-i二U

密

SI88M181112S臬;'1'

SZ90996Ul06B00V

匚

.....8.二7Z

II11I1T

图表错误!未定义书签。9实验测得的LED伏安特性曲线

批注[116]:作图最佳保存原始数据点的痕迹，excel

或origin等软件可以实现这种效果

从图表中看出，在发光二极管电压小于2V时,LED的电流接近零,发光二

极管基本不亮，而在电压大于2V时，电流随电压迅速增长。因此我们可以认为

2V是二极管的阈值电压，当电压大于2V时，二极管正向导通电流迅速增长，发批注[117]:正向导通电压？

光亮度迅速变亮，当亮度变化到T很大的时候,继续加大电压，人眼无法明显

分辨出光强变化，继续增大电压，亮度变弱，直至发光二极管熄灭，检测发现此

时的二极管已经被击穿损坏。电流上升阶段是非线性的.又这是由PN结的电学

特性决定，也受到环境（如温度）的一定影响，但是从曲线整体的趋势叠一已经

所测得理论值已经与一般发光二极管的情况是完全相符了的『:在上升阶段的中

间部分，出现了一段近似的线性上升，我们一般让二极管工作在这个区域。在

电压小于2V的时候,虽然给二极管是施加的是正向电压，但是从实验和图中可

以看出，此时流过二极管的电流非常的小，局限性以驱动二极管发光,因此我们

认为这个区域是二极管工作的死区，只有当电压大于阈值电压，二极管才干产生

一定的正向导通电流,驱动二极管发光。

实验中，我们也对二极管的反向特性进行了测试，在反向电压小于33V时，

二极管不发光，电流为零，由于直流稳压源提供的最高电压为33V,并且安全电

压是36V,因此我们无法测出反向击穿电压。我们从参考资料得击穿电压为3

0丫到60丫。

二、发光二极管光强分布测试

1.测量发光二极管法线方向光强与距离的关系

实验记录如下

其中:

修正距d电压

3.5cm3.04V

接受器XI光源X2距离L=X2-X批注[118]:表中所用物SS均需注明单位

左右左右平均1—d功率p

66.569.568737674.53119.2

666967.5737674.53.581.2

65.568.567737674.5456.3

656866.5737674.54.542.8

64.567.566737674.5531.9

646765.5737674.55.525.1

63.566.565737674.5620.5

636664.5737674.56.516.2

62.565.564737674.5713.2

626563.5737674.57.511.6

61.564.563737674.589.7

616462.5737674.58.58.6

60.563.562737674.597.5

606361.5737674.59.56.6

59.562.561737674.5105.7

596260.5737674.510.55

58.561.560737674.5114.6

586159.5737674.511.54.1

57.560.559737674.5123.7

576058.5737674.512.53.4

56.559.558737674.5133.1

565957.5737674.513.52.8

555856.5737674.514.52.3

545755.5737674.515.52

535654.5737674.516.51.7

525553.5737674.517.51.5

505351.5737674.519.51.1

485149.5737674.521.50.8

464947.5737674.523.50.6

444745.5737674.525.50.5

424543.5737674.527.50.4

404341.5737674.529.50.3

353836.5737674.534.50

以P为纵坐标,L为横坐标作图如下:

功率p——距离L

图表错误!未定义书签。发光二极管法线方向光强与距离的关系曲线

从图表中看出，在法线方向上（导轨方向），光强与距离呈非线性关线，在L较小时,P

下降迅速，在L较大时，P下降缓慢。说明光强的衰减在距离较小时是非常迅速的，当衰减到

一定限度时,这种衰减变得不再明显,最后平缓的趋于0。批注口1刃：可以用曲线拟合一下，睑证是不是符合平

方反比关系

2.发光二极管光强与光源角度的关系。

实验记录如下:

其中：（注：当光源正对接受器时，此时自制的指针指向刻度盘102度）

修正距d电压

3.5cm3.04V

角度功率角度功率

700.110058.5

750.5102.560.2

800.810530.7

82.51.2107.522.6

851.711010.7

87.52.41153.9

905.21202.4

92.59.81251.6

9538.61301.1

97.5461350.3

以功率P为纵坐标，角度为横坐标，作图如下:

由图口可知,发光功率与角度关系是一个单峰曲线,在发光二级管正对接受器时，光功

率计的读数最大。当光源向两边旋转时，光功率计计数选数减小。这种减小理论上应当是左

右对称的，但是由于制造工艺、二极管左右对称性，两边的衰减并不是标准对称的，但是都可

以看出，与距离相似,这种衰减也是非线性的，并且在较小的角度内衰减很迅速,之后衰减减缓

并平稳趋于Oo批注［120］：可以进一步用一个二次曲线拟合一下

三实验总结带格式的:缩进:首行缩进：0字符

如摘要所述，二极管在生活生产中的应用无处不在,发光二极管(LED)是我们最常见的二

极管，二极管原理简朴,应用广泛,但是由于生产厂家不同，价格不同，很多的参数与标准理论

值相比有一定的出入，但是通过测量,我们发现这种出入是很小的,是我们可以接受的。

通过电学特性的测量,我们实际绘制了二极管的伏安特性曲线，与标准PN结的曲线相比，

实验结果是相似的,验证了二极管的正向导通阈值电压,通过实验,我们发现即使二极管承受正

向电压，假如这个电压小于二极管的阈值电压，电路中的电流几乎为0,可以认为二极管没有

导通，当电压超过阈值电压之后，电流随电压上升而上升，光强变大,但是假如电压过大，二

极管会被损坏。我们测得阈值电压为2V,与理论值2V—2.2V是相符的。通过伏安特性曲线,

加深了对PN结导通原理的理解。

在光学特性测量中，我们以单一变量为原则，研究了光强与距离，角度的关系，并绘制了

相应的曲线,通过实验测量与数据分析、曲线绘制，我们得出了光强与距离、角度的非线性关

系，发现在较近的距离和角度内，光强下降迅速明显，之后趋势变缓。

通过电、光特性实验的设计与测量,我们对生活中常用器件发光二极管的特性有了更好的

结识,对PN结特性有了更深的印象,较为全面的掌握了发光二极管的重要物理特性,因此，我

们的实验是成功的。。

9-

第二部分：应用装置

一、整体布局

综合电路连接和美观两个角度考虑,我们在20*30cni单孔线路板上进行布局,通过一些天

的制作，成品如下如所示:

图表错误!不能识别的开关参数.经电子时钟成品

二、系组组成

1.控制核心

为了减小体积，节约成本,我们选用一块STC89C52单片机做为控制核心，对各显示模

块进行相应的控制，单片机控制系统电路图如下:

图表错误!不能识别的开关参数。~40STC89c52最小系统

2.数码管部分

我们采用了2个两位共阳数码管对时间进行显示，第一个显示小时,第二个显示分钟，中

间的“：”是两个闪烁的LED灯,用单片机定期器控制时间做到精确显示，数码管电路如下图

14所示:

mwi

搂单片机数据箱口

图表错误!未定义书签。14数码管电路批注[121]:空一行即可

为了多采用LED小灯，和题目规定相吻合，我们决定用60个小灯流水点亮，一方面使

系统美观，另一方面每秒移动一个小灯，作为时间显示的一部分。在流水灯的控制上，由于单

片机没有足够多的引脚，于是我们选用移位寄存器74HC595进行控制，以两片示例，连接如

下图15所示:

15U3

11r15

►SH_CPQ01►SH_CP1

DSQ12DS2

Q233

:二12

►ST_CPQ34►ST.CP4

Q455

Q568

Q67