终极版-实验报告(胡家晨)

大学物理实验竞赛方案报告2011年9月5日竞赛课题：测量发光二极管的物理特性，并以发光二极管为基本部件，搭建一小型应用装置。竞赛题目：发光二极管的伏安特性测量及其简单应用。小组成员：胡家晨（过程装备与控制工程）夏亚康（过程装备与控制工程）曾敏（数学与应用数学）摘要：随着半导体工艺技术及新材料的发展，发光二极管在各种电子产品、办公自动化设备、家用电器、仪器仪表、汽车尾灯、交通信号灯及室内外信息显示等方面获得了极为广泛的应用。近年来，由于高光效、高亮度的白色发光二极管的成功开发，使发光二极管在照明领域的应用成为可能，科学家认为，在不久的将来，发光二极管将会代替传统的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯，成为一种新型的节能环保照明光源。为推动发光二极管的广泛应用，我们小组在研究了发光二极管的正向伏安特性的基础上，搭建一个新型节能多色环保手电筒，它避开了传统的手电筒用干电池、蓄电池等其他的非环保能源，我们特地采用了电磁感应的原理，利用导体切割闭合线圈来产生电流的原理来发电，以供手电筒照明。同时手电筒的照明也发生了很大的变化，而不只是原来的白光照明，它可以由不同的按钮控制来发出不同颜色的光，分别都会有不同的用途。关键词：发光二极管、伏安特性、新型节能多色环保手电筒、电磁感应、1、发光二极管的简介它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写成LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。发光二极管与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数字。2、发光二极管的发光原理发光二极管是由Ⅲ一V族化合物，如GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的．其核心部分是由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PN结，在P区和N区界面两侧附近空间的载流子各自向对方扩散，形成耗尽层，并建立起由N区指向P区的内建电场，形成势垒，阻止多数载流子向对方扩散．平衡时，扩散电流和电场作用下产生的漂移电流达到动态平衡．在PN结上施加正向偏压时(如图1所示)，由于外加电压基本上加在耗尽层上，抵消和减弱了内建电场，降低了势垒高度，因此多数载流子(如P区中的空穴，N区中的电子)就容易通过势垒进入对方而形成少数载流子，于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合，同时会把多余的能量释放，并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能．由于复合时是在少数载流子扩散区内发光的，所以发光仅在靠近PN结数“m区域内产生．电子和空穴的复合可以在不同的能级间进行，而发射光的波长与半导体材料禁带宽度有关，两者间近似满足如下关系：λ=hc/Eg其中λ为发射光的波长，Eg为禁带宽度，h为普朗克常量，c为光速,故不同材料制成的发光二极管相应发出不同颜色的光．目前大量生产的有红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管．3、发光二极管正向伏安特性的研究3．1实验装置与测量方法实验采用FD—Ul—A型非线性元件伏安特性测试仪对发光二极管进行研究，测量电路如图2所示．根据发光二极管标定的正常工作电流(一般规定正常工作电流为20mA)，合适选取限流电阻Rx2的阻值，调节Rx1,使分压电流由小到大，分别读出电压表示值Ui,和电流表示值Ii，最后用作图法求出伏安特性和阈值电压。3．2伏安特性测量与阈值电压计算表1是黄光发光二极管的测量数据，用计算机进行数据处理后可得到其正向伏安特性曲线，如图3所示.发光二极管与普通二极管的伏安特性较为相似，当加在发光二极管两端的电压小于阈值电压时，发光二极管中电流较小或没有电流流过；当电压一旦超过阈值电压时，该管中的电流将随电压的增大而急剧增大发光二极管的发光亮度可以通过工作电流的大小来调节，在很宽的工作电流范围内，发光二极管的工作电流与工作电压间近似成线性关系．因此，发光二极管的阈值电压u。可由其伏安特性曲线用外推法求截距的方法而获得．图3中，黄光阈值电压为1．860v。测量不同颜色发光二极管的正向伏安特性曲线，可分别求得其阈值电压UD，如表2所示由实验结果可以看出，闯值电压与发光二极管中的半导体材料有关，不同的材料其阚值电压是不同的。4、发光二极管的巨大应用---LED照明LED照明-原理：LED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。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。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λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）

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。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。LED照明-前景：当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。

目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但国内在大尺寸LCD背光和汽车前照灯方面仍显落后。

2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。LED照明-发展趋势：LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。LED照明-优点：高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

多变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。5、用发光二极管搭建的应用装置----新型节能多色环保手电筒此手电筒就是通过上下摇动手电筒使导体切割磁感线来产生电流，电流正向流过发光二极管，使其发光。另外，通过控制不同的按钮来控制发光二极管发出不同颜色的光。（发光二极管有二极管的结构，即由pn结组成。正向偏置时，即电源正极接p端，负极接n端，由于电势能的作用（同性相斥异性相吸），位于n区的电子会往p区流动，位于p区的空穴会向n区流动，它们在相反方向的流动过程中会发生复合，复合可想象为带正电的空穴和带负电的电子相撞1+（－1）＝0，会有多余的能量以光子的形式往外释放。光子的能量不同能量