张亚军，刘仁臣，李 昂

（珠海科技学院 公共基础与应用统计学院，广东 珠海 519041）

半导体发光二极管（LED）具有节能环保、性能稳定、重量轻、体积小、成本低等特点，被广泛应用于指示灯、仪表显示、显示屏背光、汽车车灯、节能路灯等领域。因此，LED 被誉为21 世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。本文利用普通物理实验室的基础仪器，研究红光、黄光和蓝光三种常见小功率LED 的伏安特性和光学特性，可作为学生设计实验项目［1］。

1 物理原理

1.1 LED 伏安特性测量

发光二极管是由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，其核心是PN 结。二极管的电流是电子和空穴的结合形成。在PN 结结合区有一段很窄的没有电子或空穴的地区，如果加正向电压，这个地区就缩小，电子和空穴开始结合形成电流。如果电压增高，结合速度快速增加，形成非线性伏安特性。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，将电能转换为光能［2］。忽略能量损耗，由能量守恒定律有:

式中Eg为禁带宽度，h 为普朗克常量，c 为真空中的光速，Uc为截止电压，e 为电子电量。可推导出峰值波长λp理论公式:

在实验中先测量LED 的伏安特性数据，再利用Excel软件求出截止电压Uc，代入公式计算LED 峰值波长。

1.2 光栅衍射法测量LED 波长范围

由夫琅禾费衍射理论[3]，当平行光垂直照射光栅常数为a 的光栅时，出现明纹条件是dsinφk=kλ。利用分光计观察衍射光谱，测量第一级衍射角，则光波波长λ=dsinθ。因为LED 光源为复合光，其一级衍射条纹有一定的宽度。条纹内侧对应其最小波长，外侧对应其最大波长，从而测定其波长范围。

2 实验数据

2.1 伏安特性数据

将稳压直流电源一台、优利德UT33A+数字万用表两台、滑动变阻器一台、导线若干和LED 按照外接法连接电路，测量LED 伏安特性。通过Excel 软件绘制伏安特性曲线图，如图1 所示。选取LED 正常工作时的数据，在Excel 软件中线性拟合，添加趋势线并显示直线方程，如图2 所示。

图1 LED 伏安特性曲线图

图2 LED 正常工作线性拟合图

令直线方程为零，即可计算出LED 的截止电压Uc。利用公式（1）计算LED 的峰值波长，结果如表1 所示。

表1 LED 线性拟合结果

2.2 分光计测量数据

分光计一台、光栅常数为a=1mm/300 的透射光栅一片、直流稳压电源一台和LED 若干。让LED 光源通过分光计的平行光管后垂直照射在透射光栅，观察LED 的光谱。因为LED 光源为复合光，其一级衍射条纹有一定的宽度。条纹的内侧对应其最小波长，外侧对应其最大波长。分别测量条纹内、外侧对应的一级衍射角度，代入公式（1）即可计算出LED 的最小波长和最大波长，从而确定LED 波长范围。分光计测LED 一级衍射条纹内侧/外侧的角度如表2、表3 所示。

表2 分光计测LED 一级衍射条纹内侧的角度

测量结果综上所述：红光LED 峰值波长为635nm，波长范围为595～650nm；黄光LED 峰值波长为584nm，波长范围为579～598nm；蓝光LED 峰值波长为451nm，波长范围为445～480nm。

表3 分光计测LED 一级衍射条纹外侧的角度

3 结束语

本文使用实验室现成仪器，研究LED 伏安特性和光学特性[4]。利用外接法测量半导体发光二极管的伏安特性，其电压和电流为非线性关系。应用Excel 软件线性拟合求出LED 的截止电压，代入公式计算其峰值波长。应用分光计测量LED 一级衍射角度，测定LED 波长范围。结果LED 峰值波长完美落在其波长范围内，证明实验的可行性。实验原理浅显易懂，操作简单易行，可作为学生设计性实验项目。