关于LED器件特性研究的一次实验综述

摘 要：分析不同颜色的LED灯（1）谱形和电流之间的关系，（2）色度参数和光度参数的变化规律；实验环境：室温；实验器材：PMS-50紫外-可见-近红外光谱分析系统（增强型），以及五种颜色的LED；结果LED的光谱特性及色度、光度等参数与所施加的正向电流具有非常密切的关系。

关键词：LED；电流；半峰宽峰值；波长；色品；坐标；色温；光通量；光效

1 本实验基于发光二极管p-n结原理展开

LED核心部分为一相对稳定的电致发光结构，在这一结构内部有一个复合区，这个复合区能够形成辐射，该辐射含有两种不同导电类型（p型和n型）区，这两个区域提供了参与复合作用的载流子。从其核心设计来看，该结构基于p-n同质结。所谓p-n同质结是指p、n系同种材料的半导体，p型与n型接触的部分（即"结"）附近则为形成辐射的复合区。

图1为一p-n结的能带示意图。如图1（a），当p型和n型两种半导体材料紧密接触，在接触界面，载流子浓度形成梯度，浓度梯度促成载流子进行不间断的扩散运动，运动方向基于梯度，n区中的（多数）载流子电子从n区至p区扩散，而p区中的（多数）载流子空穴则从p区向n区扩散。其结果，如图1（b），就是p区和n区接触界面处形成空间电荷区，形成了自建电场。自建电场产生电磁作用，又同时促成载流子进行漂移运动。如此，在扩散运动不断增强的作用下，其自建电场具有不断增大的势头，自建电场不断扩大的趋势又持续加剧载流子的漂移运动，而漂移运动又会反过来导致自建电场的减小。因此，在扩散运动和漂移运动达到平衡时，载流子扩散电流与漂移电流相等。

2 实验综述

2.1 实验准备

（1）实验环境

本实验均在室温下进行。

（2）实验设备、仪器的准备

实验测试仪器：PMS-50（增强型）紫外-可见-近红外光谱分析系统。

实验材料：五种颜色（蓝、绿、白、红、黄）LED，在小功率器件（芯片尺寸为300μm×300μm）、中功率器件 （芯片尺寸为1mm×0.5mm）、大功率器件（其中白光有冷、暖两种型号）（芯片尺寸为1mm×1mm）。实验需要测试室温下不同工作电流的光谱特性。

本实验中，所用红光、黄光LED是AlGaInP基LED；蓝光、绿光LED是InGaN基LED；白光LED则由蓝光LED加黄色荧光粉激发所得；冷白光和暖白光根据所加荧光粉的比例而得。

实验测试参数：（1）相对光谱功率分布 P（λ） ；（2）色度参数：色品坐标，显色指数，色温，主波长，峰值波长，半宽度，色纯度；（3）光度参数：光效，光通量；（4）其他参数：实验环境及倍增管工作温度。

2.2 实验过程及相关测试数据综述（表1）

3 实验结论

实验数据表明，LED的有关物理特性与相关参数如：光谱特性、光度、色度参数等与外界所施加的电流有着极为密切的关系。

（1）LED的光谱特性、光度、色度参数与其自身的颜色和功率无关

如表1所示，其相关参数指标都与外界施加电流的变化而随之发生变化，随着外界电流的增大，相关参数呈先增大后减小的变化状态。究其原因，开始载流子注入是比较少的，从而辐射复合几率相对较小，载流子量注入逐渐增大，随之，辐射复合几率也变大。随着载流子注入的增大，总强度、峰高、光效等参数指标逐步增大；但随着载流子注入进一步增大时，非辐射复合几率又增加，相关参数指标又随之减少，所以呈现先增大后减小。

（2）基于不同结构的LED具有相异的构造和工作机理，因此其能带带隙及量子阱深浅也不很大的不同。（表2）

（3）基于相同结构的LED，由于不同组分，相关参数数据的变化也不相同。（表3）

（4）同样的LED，测试环境相同的情况下，功率改变会引起各相关参数指标的改变。

如表1、2、3所示，绝大多数测量结果都显示出，随着功率增大，示数变大。但实验数据表明也有例外：当LED小功率时，峰值、波长、半高宽、显色指数等参数指标最大；在中功率时，绿、白光LED色温最大；光效最大值一般出现在中功率时，但绿光LED大功率时出现，属于例外。

（5）白光LED性能特性（表4、表5）

4 小结

LED是一种较为典型的电致发光器件。如图1中，电子与空穴辐射复合时，产生能量，并以光子形式发出。因此外界电流的注入对LED器件各项具体特性有着直接的影响。本实验测量、分析了蓝、绿、白、红、黄五种颜色LED的光谱特性、色度参数、光度参数，进一步明晰了各种功率、颜色LED器件的特性，有利于更深刻的理解和认识LED的发光机理及半导体P-N结的内在机理。

参考文献：

[1]余金中.半导体光电子技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2][美]施敏.半导体器件物理与工艺[M].赵鹤鸣，钱敏，黄秋萍译.苏州：苏州大学出版社，2002.

[3]陈元灯.LED制造技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.