一、实验目的
- 了解 LED 的发光原理，理解 PN 结的电致发光机制。
- 测量 LED 的伏安特性，绘制 I-V 曲线并确定死区电压 $U_{th}$。
- 测量 LED 的电光转换特性，研究照度与驱动电流的关系。
- 测量 LED 输出光空间分布特性，确定方向半值角。
- 比较高亮型 LED 与功率型 LED、不同颜色 LED 之间的特性差异。
二、实验仪器
本实验使用 COC-LED03102 LED 综合特性及应用实验仪（成都华芯众合电子科技有限公司），包含以下配件：
| 仪器/配件 | 功能 | 关键参数 |
|---|
| LED 特性综合实验仪 | 提供电压/电流源、电压表、电流表、照度计、温度计 | 电压源 0~5.0V；电流源 0~350mA；电压表 −9.999~9.999V（分辨力 1mV）；电流表正向 0~999.9mA / 反向 −19.99~0μA；照度 0~19990 LX |
| LED 样件盒 | 提供 8 种 LED 样品 | 红/绿/蓝/白 × 高亮型/功率型；反向电压 ≤ 4V |
| LED 光发射器 | 安装 LED 并构成光发射源 | 可 ±90° 旋转，带刻度盘 |
| 直线轨道 + 照度检测探头 | 检测 LED 出射光照度 | 照度与距离平方成反比 |
三、实验原理
3.1 LED 发光原理
发光二极管（LED）是由 P 型和 N 型半导体组成的二极管。P 型半导体中有相当数量的空穴，N 型半导体中有相当数量的自由电子。当两种半导体结合形成 PN 结时，N 区电子向 P 区扩散，P 区空穴向 N 区扩散，在 PN 结附近形成空间电荷区与势垒电场。
当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，P 区空穴和 N 区电子向对方扩散运动，在 PN 结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能形式释放能量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。
$$\lambda = \frac{hc}{E_g} = \frac{1240}{E_g(\text{eV})}\,\text{nm}$$
发射光谱的中心波长由 PN 结半导体材料的禁带宽度 $E_g$ 决定。采用不同材料及组分，可获得不同颜色的 LED：
- 红色 LED：GaAsP / AlGaAs，$E_g \approx 1.8\text{ eV}$，$\lambda \approx 660\text{ nm}$
- 绿色 LED：GaP / InGaN，$E_g \approx 2.2\text{ eV}$，$\lambda \approx 560\text{ nm}$
- 蓝色 LED：InGaN，$E_g \approx 2.7\text{ eV}$，$\lambda \approx 460\text{ nm}$
- 白色 LED：蓝光芯片 + 黄色荧光粉，合成白光
3.2 LED 的伏安特性
LED 的伏安特性与一般二极管相似，遵循肖克利（Shockley）模型：
$$I = I_S\left[\exp\left(\frac{eU}{nk_BT}\right) - 1\right]$$
其中 $I_S$ 为反向饱和电流，$e=1.6\times10^{-19}\text{ C}$ 为电子电量，$k_B=1.38\times10^{-23}\text{ J/K}$ 为玻尔兹曼常数，$T$ 为绝对温度，$n$ 为理想因子。
在 LED 两端加正向电压时：
- 当电压较小，不足以克服势垒电场时，通过 LED 的电流很小；
- 当正向电压超过死区电压 $U_{th}$（正向拐点）后，电流随电压迅速增长；
- 普通硅二极管 $U_{th}\approx 0.7\text{V}$，锗二极管 $U_{th}\approx 0.2\text{V}$，而 LED 因材料禁带宽度大，$U_{th}$ 一般在 1.5~2.7V。
加反向电压时，只有 μA 级反向电流；反向电压超过击穿电压 $U_B$ 后 LED 被击穿损坏。本仪器限制最大反向电压为 4V。
📝 关键参数：正向工作电流（几十 mA~1 A）、正向工作电压、允许功耗（$P_{max}=UI$）。
3.3 LED 的电光转换特性
LED 发出的光在某截面处的照度 $E$ 与驱动电流 $I$ 近似呈线性关系：
$$E = k \cdot I + E_0$$
这是因为驱动电流与注入 PN 结的电荷数成正比，在复合发光的量子效率一定的情况下，输出光通量与注入电荷数成正比，而照度正比于光通量。
💡 实验中：照度还与测量距离有关。当发光强度不变时，照度与光发射距离的平方成反比（$E \propto 1/r^2$）。实验中探头固定在距 LED 10 cm 处。
3.4 LED 输出光空间分布特性
由于 LED 的芯片结构及封装方式不同，输出光的空间分布也不一样。发射强度以最大值为基准（方向角 0°，发射强度 100%），当方向角改变时，发射强度相应改变。
发射强度降为峰值的一半时，对应的角度称为方向半值角 $\theta_{1/2}$：
- 带透镜的高亮型 LED：指向性好，$\theta_{1/2} \approx \pm 7°$，适用于光电检测、射灯等能量集中的应用；
- 未加透镜的功率型 LED：视角广，$\theta_{1/2} \approx \pm 50°$，适用于普通照明及大屏幕显示。
空间分布特性可用 Lambertian 余弦分布近似描述：
$$I(\theta) = I_0 \cos^m(\theta), \quad \theta_{1/2} = \arccos\left((0.5)^{1/m}\right)$$
其中 $m$ 与封装方式有关：带透镜 $m$ 大（光束集中），无透镜 $m$ 小（接近 Lambertian，$m=1$）。
四、数据处理要点
4.1 死区电压 $U_{th}$ 的确定
在 I-V 曲线的正向部分，电流开始快速增长对应的电压拐点即为死区电压。可通过作图法或取 $I=1\text{ mA}$ 时的电压近似。
4.2 电光转换效率
由 $E$-$I$ 曲线斜率 $k$ 可表征电光转换效率，$k$ 越大单位电流产生的光通量越多。
4.3 方向半值角
在极坐标空间分布曲线上，找到发射强度降为峰值 50% 时对应的角度，即为方向半值角 $\theta_{1/2}$。
⚠️ 安全提示：功率型 LED 在大电流驱动时由于热效应，电压会随通电时间增加而降低。实验中应尽量缩短大电流驱动时间。更换 LED 样品时务必先在界面上切换 LED 类型，以免损坏。