物理师范论文——发光二极管伏安特性的研究

摘要 .............................................................................................. 2 关键词 .......................................................................................... 2 一 引言 ........................................................................................ 3 二 实验原理 ................................................................................ 4 2.1发光二极管的基本工作原理 ............................................ 4 2.2伏安特性 ............................................................................ 5 三 实验部分 ................................................................................ 7 3.1实验装置 ............................................................................ 7 3.2实验内容 ............................................................................ 7

3.2.1发光二极管伏安特性的测量 ..................................... 7 3.2.2. 开启电压法测波长由开启电压 .............................. 7 3.2.3注意事项 ..................................................................... 8

3.3实验数据记录与处理 ........................................................ 8 3.4实验结论 .......................................................................... 14 四 结束语 .................................................................................. 15 五 实验心得 .............................................................................. 16 参考文献 .................................................................................... 17 致谢 ............................................................................................ 18

摘要

本文主要测量红光，白光，蓝光，绿光和黄光五种发光二极管的正向伏安特性可使我们深入理解发光二极管的发光原理、特性及其测量方法。通常以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出该元件电流和电压的关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。

Abstract

In this paper, measure the red, white, blue, green and yellow, five light-emitting diode forward voltage characteristics allows us to understand the light-emitting diode light-emitting principle, characteristics and measurement methods. Usually abscissa voltage, current vertical axis, draw the curve of the components of current and voltage, known as the volt-ampere characteristic curve of the component.

关键词

发光二极管 伏安特性 电流源法

Keyword

Light-emitting diodes Volt-ampere characteristic Current source method

一 引言

发光二极管（ＬＥＤ）是基于注入式电致发光原理制成的,发光二极管和白炽灯相比,具有工作电压低、功耗小、体积小、重量轻、小型化、易于和集成电路相匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定、响应速度快、单色性较好、价格便宜等一系列优点,因此在很多领域,它都可获得广泛应用。它的应用涉及很多领域，从日常照明到尖端科技都有应用。随着应用范围的扩大,研究发光二极管的特性也变得越来越重要,本实验中,主要测量红光，白光，蓝光，绿光和黄光五种发光二极管的正向伏安特性。

二 实验原理

2.1发光二极管的基本工作原理

发光二极管是由Ⅲ2Ⅴ族化合物半导成的,其核心为PN结,由固体物理理论知,当P型半导体和N型半导体紧贴时(实际是在一块半导体的不同区域分别掺以受主型和施主型杂质所形成的)由于P区和N区各自有不同的费米能级因此, P区与N区刚接触时必处于一非平衡状态如图1所示。

此时,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,电子与空穴的扩散均破坏结两边的电中性,从而使N区边界出现由正离子与空穴形成的正电荷积累,在P区边界出现由负离子与电子形成的负电荷积累,结两边的异号电荷形成由N区指向P区的内建电场UD,内建电场对载流子的库仑力的作用阻止了扩散的进行,当扩散作用形成的由P区指向N区的扩散电流与电场形成的反向漂移电流相等时, PN结处于平衡态,P区与N区的费米能级重合,即PN结具有统一的费米能级EF如图2所示。当在PN结施加正向偏压时,外加电压U将抵消和减弱内建电场,此时多数载流子将容易通过PN结进入对方区域而成为少数载流子,当进入P区的电子与P区的空穴复合,进入N区的空穴和N区的电子复合时,将以发光的形式辐射出多余的能量。电子和空穴的复合可在不同能级间进行,视材料能级不同,相应地发出不同波长的光如图3所示。

图1 P区、N区能带图

图2 PN结平衡能带图

图3 PN结电致发光原理图

2.2伏安特性

根据欧姆定律，电阻R、电压U、电流I,有如下关系： RUI （1）

由电压表和电流表的示值U和I计算可得到待测元件Rx的阻值。但非线性元件的R是一个变量，因此分析它的阻值必须指出其工作电压（或电流）。非线性元件的电阻有两种方法表示，一种称为静态电阻（或称为直流电阻），用RD表示；另一种称为动态电阻用rD表示，它等于工作点附近的电压改变量与电流改变量之比。动态电阻可通过伏安曲线求出，如图4所示，图中Q点的静态电阻

RDUQIQ,

动态电阻

rDdUdI。

图4 非线性元件的伏安特性曲线

测量伏安特性时，受电压表、电流表内阻接入影响会引入一定的系统误差，由于数字式电压表内阻很高、数字式电流表内阻很小 ，在测量低、中值电阻时引入系统误差很小，一般可忽略不计

三 实验部分

3.1实验装置

1.发光二级管：红光，白光，蓝光，绿光，黄光 2.电源与仪表：直流恒流电源（0~2mA，0~20mA），数字万用表（2只） 3.导线

3.2实验内容

3.2.1发光二极管伏安特性的测量

测量电路如图5所示，即采用恒流源法。发光二极管最大正向电流I<=3V，实验点不少于15个。根据伏安特性曲线和实验中的观察找到开启电压，并计算5个发光二极管发出光的波长。（详细见3.2.2）

图5.伏安特性测量电路

3.2.2. 开启电压法测波长由开启电压

Ｕ及关系式，ｅＵ＝ｈｖ＝ｈ(ｃ/λ)（其中ｈ为普朗克常数，ｃ是光在空气中光速，近似为真空中光速。），有ＬＥＤ发射的光波的波长为

λ= hc/eU （2）

开启电压可以由图6中的直线与横轴的交点给出.

图6.发光二极管正向伏安特性曲线（例图）

3.2.3注意事项

⑴在接线的过程中，注意不要将各个元件的正负向接反。

⑵由于本实验需要连接线较多，在实验中应注意正确连接线路，且在使用时不可用力过猛。

⑶接线时,开关要处于开的状态。测量时，电压和电流从最小开始，实验点应均匀分布在实验曲线上。

3.3实验数据记录与处理

黄光发光二极管

电流

电压（V) （mA） 1.55 0.0024 1.63 0.0124 1.66 0.0224 1.67 0.0324 1.68 0.0424 1.69 0.0524 1.69 0.0624 1.70 0.0724 1.70 0.0824 1.71 0.0924 1.71 0.1024 1.74 0.2024 1.75 0.3024

1.76 1.77 1.77 1.78 1.79 1.79 1.80 1.84 1.88 1.90 1.92 1.93 1.95 1.96

0.4024 0.5024 0.6024 0.7024 0.8024 0.9024 1.0024 3.024 5.024 7.024 9.024 11.024 13.024 15.024

黄光二极管的伏安特性曲线

电流(mA) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.00 1.00 2.00 3.00 电压(v) 系列1

由图可以看出，开启电压为1.85V,由：eU＝ hc/ λ可得λ＝hc/ eU带入数据得λ＝585nm

绿光发光二极管

电压（V)

1.67 2.01 2.03 2.05 2.07 2.08 2.09 2.1 2.11 2.15 2.18 2.21

电流（mA） 0.0020 0.0320 0.0420 0.0520 0.0620 0.0720 0.0820 0.0920 0.1020 0.2020 0.0320 0.4020

2.22 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.40 2.48 2. 2.60 2.65 2.69 2.73

0.5020 0.6020 0.7020 0.8020 0.9020 1.002 3.000 5.002 7.002 9.002 11.002 13.002 15.002

电流(mA)绿光二极管的伏安特性曲线图16.000014.000012.000010.00008.00006.00004.00002.00000.00000123电压(v)系列1

由图知，开启电压为2.25V,由 eU＝ hc/ λ可得λ＝hc/ eU带入数据得λ＝525nm

蓝光发光二极管

电压（V)

1.48 1.80 1.90 1.96 2.01 2.05 2.08 2.13 2.16 2.19 2.22 2.33 2.36

电流（mA） 0.0015 0.0115 0.0215 0.0315 0.0415 0.0515 0.0615 0.0715 0.0815 0.0915 0.1015 0.2015 0.3015

电流(mA)2.39 2.43 2.46 2.49 2.51 2. 2.56 2.62 2.70 2.77 2.82 2.87 2.96 3.01 0.4015 0.5015 0.6015 0.7015 0.8015 0.9015 1.0015 3.001 5.001 7.001 9.001 11.011 13.001 15.001

蓝光的二极管伏安特性曲线图1614121082系列100.00电压(v)1.002.003.004.00

由图知，开启电压为2.55V,由 eU＝ hc/ λ可得λ＝hc/ eU带入数据得λ＝470nm

红光发光二极管

电压（V)

1.42 1. 1.57 1.59 1.60 1.61 1.62 1.63

1. 1. 1.65 1.68 1.70

电流（mA） 0.0015 0.0115 0.0215 0.0315 0.0415 0.0515 0.0615 0.0715 0.0815 0.0915 0.1015 0.2015 0.3015

1.72 1.73 1.74 1.75 1.76 1.76 1.77 1.84 1.88

0.4015 0.5015 0.6015 0.7015 0.8015 0.9015 1.002 3.002 5.002

红光的二极管伏安特性曲线161412101.92 7.002 1.94 9.002 1.96 11.002 1.98 13.002 1.99 15.002

电流(mA)8200.00系列11.002.00电压(V)3.00

由图知，开启电压为1.70V,由 eU＝ hc/ λ可得λ＝hc/ eU带入数据得λ＝625nm

白光发光二极管

电压（V)

2.23 2.49 2.53 2.56 2.58 2.59 2. 2.66 2.69 2.71

电流（mA） 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

2.72 2.73 2.74 2.75 2.76 2.87 2.93 2.97

3 3.02 3.05 3.07

0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 3.00 5.00 7.00 9.00 11.00 13.00 15.00

白光的二极管伏安特性曲线16.0014.0012.0010.00电流(mA)8.00系列16.004.002.000.00012电压(V)34

由图知，开启电压为2.50V,由 eU＝ hc/ λ可得λ＝hc/ eU带入数据得λ＝510nm，即为可见光的各色波长平均值

3.4实验结论

⑴当加在发光二级管两端的电压小于开启电压时，发光二极管不会发光，也没有电流通过；当加在发光二极管两端的电压大于开启电压时，电流急剧上升，二极管处于导通状态并发光，此时电流与电压呈线性关系。

⑵二极管具有单向导电性 ，且反响电流很小，其值与反向电压近似无关。

四 结束语

本实验研究了发光二极管的伏安特性，由于发光二极管具有很好的指向性,因此可以用作局部照明光源用,如小型台灯,小型手电筒,且因为发光二极管正常工作时所需电压2~4 V,电流仅20mA左右,因此其消耗的功率极小。一般,运用3节1. 5 V干电池, 6个白色发兰的发光二极管并联,使用时间可长达10万小时。因此,如果将办公大楼的日光灯,夜晚的路灯,风景照明灯,交通红绿灯皆用发光二极管代替,每年可以为我国节省几亿千瓦的电能,因此发光二极管具有良好的应用前景。发光二极管的改进和发展:近几年,出现了一种新型发光二极管叫做有机发光二极管(Organic LightEmittingDiode简称OLED)。这项新技术在一定程度上克服了显像管和液晶的不足,并开始在消费电子产品中崭露头角,为手机、PDA(个人数字助手)以及其他很多电子产品带导体材料、有机光电子材料的特殊性质,属于目前引人瞩目的有机电子学、塑料电子学领域。美国科学家艾伦2里格,艾伦2马克迪米德和日本科学家白川英树等三人因在该领域的突出贡献,获得了2000年诺贝尔化学奖。该实验有利于激发我们进行研究性实验的兴趣,提高探索科学的热情和好奇心.在探索性实验的学习过程中,我们可得到更深层次和更广泛的能力训练,实验素质得到提高。

五 实验心得

本次实验我学到了：

1. 做实验前要有充分的实验准备，在实验过程中，要细心、耐心、及做好

实验的决心，只有这样才能把实验做的完美，减少没有必要的误差与弯路。

2. 同学间的团结合作也是有必要的。虽然本次实验是在个人操作下完

成，但还需与同学做相应的交流及心得，才能及时发现一些问题并改正。

参考文献

[1] 杨述武 ，赵立竹等．普通物理实验［Ｍ］．高等教育出版社 2011． [2]张凤兰．高亮度发光二极管波长测量实验的设计［Ｊ］．实验技术与管理，２００５．

[3]http://baike.baidu.com/view/2099379.htm

致谢

在实验完成之际，我要特别感谢我的指导老师赵艳秋老师的热情关怀和悉心指导。赵师耐心指导 ，严格要求，并为我提供了大量意见与建议，这才会使我的实验做好。在此，我表示衷心的感谢！