摘 要

由于半导体发光二极管（LED）行业发展迅猛，极大程度地激发了人们对LED的研究热情，处于这种现状，对于LED的光电特性测试就是个非常值得注意的课题，出于为了设计一个更好的LED光电特性测试系统的目的，在充分学习和结合现有的测试方案的基础上，花费更多的精力去创新和发明出更优秀的测试系统，其中要运用虚拟仪器技术和数据采集的方法，这套方案可以从根本上提高仪器的精确性和合理性，使测试LED的光电特性能够有序地完成。

先详细地介绍LED的光电特性，如发光强度、光通量、正向电压、正向电流、电功率、伏安特性曲线等多种特性参数^[1]，在明确了需要测试的特性参数后，根据测试的要求设计相应的测试方案，从已有的很多参考测试方案中得到启发，借助虚拟软件仪器来设计相应的程序并结合数据采集卡采集数据来一起完成测试，其中虚拟软件仪器是指LabVIEW软件，它编写程序的过程是通过使用图形化编辑语言G程序来实现的，它具有操作相对简单，测试过程更加直观，测试方式更加合理等优点。

在正确地设计测试系统后，先搭建好实物电路，然后测量LED的光电特性参数。将测量得到的数据通过数据采集卡采集后传入计算中由LabVIEW软件进行处理，最后分析整理这些结果数据得出结论，结果表明了本测试系统能够很好的完成LED的光电特性测试。

关键词：LED光电特性；LabVIEW；伏安特性；数据采集

ABSTRACT

Due to the rapid development of the semiconductor light-emitting diode (LED) industry, it has greatly stimulated people's enthusiasm for LED research. In this situation, testing the photoelectric characteristics of LEDs is a very noteworthy topic, for the sake of designing a better one. The purpose of the LED photoelectric characteristic test system is to spend more energy to innovate and invent a better test system based on full learning and combining existing test solutions, in which virtual instrument technology and data acquisition methods are used. This solution can fundamentally improve the accuracy and rationality of the instrument, so that the photoelectric characteristics of the test LED can be completed in an orderly manner.

Firstly, the photoelectric characteristics of the LED, such as luminous intensity, luminous flux, forward voltage, forward current, electric power, volt-ampere characteristic curve, etc., are described in detail [1]. After the characteristic parameters to be tested are clarified, according to the test The requirements of the design of the corresponding test program, inspired by many existing reference test programs, the use of virtual software instruments to design the corresponding program and combined with the data acquisition card to collect data to complete the test together, the virtual software instrument refers to LabVIEW software, It uses the graphical editing language G program to write programs. It has the advantages of relatively simple operation, more intuitive testing process and more reasonable testing methods.

After properly designing the test system, build the physical circuit and measure the photoelectric characteristics of the LED. The measured data is collected by the data acquisition card and then transferred into the calculation by LabVIEW software. Finally, the results are analyzed and the conclusions are obtained. The results show that the test system can perform the photoelectric characteristics test of the LED well.

Keywords:LED photoelectric characteristics; LabVIEW; volt-ampere characteristics; data acquisi

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外发展状况 1

1.3 研究意义 2

1.4 主要研究内容 2

第2章 LED光电特性测试理论及方法 4

2.1 LED的发光机理和基本结构 4

2.2 LED的光学特性及测量方法 4

2.3 LED电学特性及测量方法 5

2.4 本章小结 6

第3章 LED特性测试的硬件系统 7

3.1 测试系统总体的设计与研究 7

3.2 主要的测试光电特性组件 8

3.2.1 光敏传感器及工作原理 8

3.2.2 可调电阻及定值电阻 8

3.2.3 面包板及导线等基础工具 9

3.3 信号调理电路 9

3.4 数据采集卡 10

3.5 本章小结 11

第4章 LED特性参数程序设计 13

4.1虚拟仪器及LabVIEW概述 13

4.2 测试系统前面板设计 13

4.3 测试系统程序框图设计 16

4.4 本章小结 18

第5章 数据处理及误差分析 19

5.1 数据处理 19

5.2 误差分析 21

5.3 本章小结 22

第6章 总结与展望 23

6.1 总结 23

6.2 展望 23

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景

发光二极管（LED）是一种可以直接将电能转化为光能的半导体二极管，它由多种化合物材料制造而成，和普通的二极管一样，由PN结构成的^[2]，它具有单向导通性的特点。发光二极管能够发光的主要原因归功于它内部的灯珠，灯珠的内部是一个很小的晶片，晶片内有P、N层和发光层，其照明原理是当电流通过晶片时，P型半导体内的空穴和N型半导体内的自由电子在中间的发光层复合来产生自发辐射的荧光。知道了LED的发光原理后才能更加深入地去了解它的各种特性。

众所周知，LED可以直接把电能转换成光能，由于其具有体积小、光效高、成本低等特点，在日常生活中被广泛应用于多个领域，又由于它的光源特性和形态的多样性，就使得LED必须可以适应各种复杂的环境，这将加大LED的设计难度。虽然现在LED行业的发展非常迅速，但是还是难以满足社会现状，如果还想更大程度地提高LED产业的发展，就应该先规范对LED各种特性的测试标准，建立更多、更有效的测试系统，总的来说，为了适应当今LED行业的社会现状，需要人们花费更多的精力去设计LED特性的测试系统。

LED的特性测试越来越重要的同时，就需要更多地去了解LED的各种特性，如它的光学特性和电学特性等，只有在真正地清楚了LED的特性后，才能更有针对性地设计测试系统。

1.2 国内外发展状况

半导体技术的进步极大程度地推动了发光二极管的发展，世界上第一个LED是在1962年由国外的科学家制造的红光的LED，该LED使用的是一种GaAsP材料^[3]。由于其寿命长，抗电击和抗冲击性等特点，人们将它用作指示灯。到了20世纪70年代中期，在世界各国制造技术制快速发展的同时，LED的颜色范围也得到了极大的扩展，产生了如绿光、黄光等颜色的LED。之后的80年代，随着新型的LED材料生长技术飞速发展，人们开始在LED中加入质量很高的量子阱结构，得益于量子阱中载流子的限制效应，LED的发光效率又得到了很大的提高。到了90年代初，人们又相继成功地研发了发红光、黄光的LED材料和发蓝、绿光的LED材料，这进一步地丰富了LED的颜色范围，这些成就说明了LED行业的发展十分迅猛。

为了保护环境、提高能源效率、适应社会发展的现状，作为最先进的新型高效节能照明产品^[4]，LED照明产品成为了全球节能照明的关键宣传产品。正是因为LED产业变得流行起来，各国都开始重视LED的测试方法和标准研究，都开始投入大量的精力和财力，一心想在LED的相关研究中取得制高点^[4]。目前，国内LED的检测设备也发展迅速，不断研发出质量很好的检测设备。测量的范围也极为广泛，基本包括了光学和电学特性的所有参数。但是国内目前在LED方面的研究水平与世界先进水平还相距甚远，仍需要更加努力。LED产业现在的战略地位过于重要，使得国内很多大型企业都很认真地在发展和创新LED产品的研制，广东省作为国内LED产业的巨头，也带领其相邻省份一起大力发展LED产业，这才使得国内LED的发展能够跟上世界先进国家的步伐。

1.3 研究意义

发光二极管（LED），作为一种半导体发光器件，由于最近这些年LED产业变得十分火热，LED产业诱人的前景和价值也越来越受到人们的关注，因此LED技术很可能成为战略尖端科技，成为每个国家必争的技术领域，那时它也将影响到一个国家的综合国力和经济发展。

正是由于LED在如今战略地位的重要性，所以就更应该在LED的研究中花费大量的精力，这样对LED光电特性的检测也就成为了极其重要的一个研究方向，由于国内现有的LED检测技术还处于相对落后的阶段，所以为了清楚地了解国内LED研究技术的水平，也为了促进国内LED行业的发展和进步，首先应该将国内测试LED的方法和标准进行规范，只有这样，不同企业的产品才能拥有相关测试的统一依据，而不是像以前一样无据可依，这对LED行业的整体发展是极其重要的。除此之外，形成这些技术标准和测试方法还可以进一步地提高国内LED产品的质量，增强国内半导体技术的科研实力，这样才能追赶LED行业中的世界先进水平。

在如今的LED照明市场中，人们都极力地追求高功率、高能效^[5]，想要实现这些目标，较高的电性能就显得十分重要，通过分析LED的光电特性，建立合理的光电模型，对LED光电特性的检测起着至关重要的作用，并不断地对检测系统进行完善和修正，直到在最后能完成一套合理、有效的LED光电特性的测试系统。

1.4 主要研究内容

本篇论文主要研究LED芯片的光学特性和电学特性的测试原理和测试方法，并利用数据采集卡配合计算机软件程序来搭建一个LED特性参数的测试平台，从而来测试LED的多种特性参数，并研究和分析获得的测试数据，最后得出相应的结果。在此过程中，通过LabVIEW软件来控制和驱动数据采集卡。并且还利用LabVIEW和其他有关软件，对所测得的数据进行整理分析。

具体的工作如下：先在网上或书籍中搜集大量的资料，再结合国内外现有的各种LED测试仪器和方法以及实际的实验设备和实验环境，经过认真地分析和设计，提出合理有效的LED光电特性参数测试方案，紧接着设计LED光电特性参数测试的硬件系统，这也是一个非常重要的部分，硬件系统主要由面包板、定值电阻、光敏传感器和数据采集卡等组成，除此之外，还应详细介绍对数据采集卡的选择以及它的相关特性。测试过程是先在实际测量电路中得到测量数据，然后由数据采集卡采集后传入计算机中，最后利用虚拟仪器软件LabVIEW来完成数据的处理的。测量电路用来传递LED发出的光信号和电信号，被数据采集卡采集后传输到LabVIEW中来实现数据的分析和整理。最后用精心设计的测试系统来测试出LED的光电特性参数，由所得到的数据来做出参数曲线，并对曲线中所显示出的特性进行分析和总结。

第2章 LED光电特性测试理论及方法

2.1 LED的发光机理和基本结构

LED本质上是一种能将电能转化为光能的半导体二极管。在LED的内部有一个很小的灯珠，LED就是通过这个小灯珠来发光的。在灯珠的内部还有一个更小的晶片，晶片的结构相对复杂，一般分为好几层，最上层的是P型半导体层，中间是用来产生光的发光层，最下层是N型半导体层。LED的发光过程就是当电流通过晶片时，P型半导体内的空穴和N型半导体内的电子在中间的发光层复合形成光子，再将这些光子的能量释放出去，对外就表现为发光，这就是LED的发光过程。但是当PN结内流过反向电流时，内部将很难形成光子，这就导致LED不会发光，这也就是LED的单向导通性。常见的发光二极管的构造如图2.1所示。

图2.1 发光二极管构造

2.2 LED的光学特性及测量方法

LED有很多的特性，其中发光作为LED的基本功能，在日常生活中也应用广泛，因此它的光学特性是十分值得研究的，它具体的光学特性有光通量、发光强度等^[6]，发光强度也称光照强度，在直观上就是人们肉眼可见的亮度的强弱，是指光源在某一方向上单位体积内通过的光量。在日常的测试中一般是使用“平均发光强度”的概念来研究发光强度，公式为I=φ/Ω,其中的φ是光通量，Ω是立体角，通过将探测器的面积S除以测量距离d的平方可计算出立体角，通过公式也可以看出发光强度和光通量之间关系密切，测量发光强度时，应注意保持光源可近似为一个点光源。光通量是指单位时间内光源发出的光量，发光强度、光通量互相联系，又都是衡量LED性能的重要指标。测量LED的光学特性是在基于测试伏安特性的电路来实现的，通过在电路中接上光敏传感器来获取LED的光信号，并将光信号转换为电压信号，之后被采集卡所采集^[7]，最后输入到计算机中进行数据的处理和分析。具体的光学特性测量系统结构如图2.2所示。

图2.2 LED光学特性测量系统结构

2.3 LED电学特性及测量方法

LED的特性除了光学特性外，还有电学特性也非常值得研究。常见的LED电学特性主要有：1.正向电压，就是LED在确定工作电流下两端的压降。2.正向电流，LED正常发光时内部所流过的电流。3.电功率，是指LED在某一确定的电流、电压状态下的功率值，可通过公式W=IU来进行计算。

一般研究LED的电学特性，并不会简单地去测量它的正向电压、电流那么简单，而是会去研究它的V-I特性和P-V特性，因为LED的电学特性主要可以由V-I特性和P-V特性来表征，LED的V-I特性和P-V特性都是非线性的，主要是因为LED内部的电阻会随电压的变化而无规律地变化，最后通过LED的V-I特性和P-V特性曲线也可以更加直观地得到它的正向电压、正向电流等特性。

具体的测量LED的电学特性的方法如下：根据V-I特性曲线来测量相关的电学特性，通过一个恒定的电源给LED通电，调节电流为合适的工作电流，然后把电压信号用数据采集卡内部的模数转换模块转换成数字信号传入计算机中，因为采集卡只能采集电压信号，所以需要将电流信号转换为电压信号才能测试电流信号，一般都是通过在被测元件的一旁串联一定值电阻来将电流信号转换为电压信号，之后再通过除以电阻值来还原成电流值。其中LED的额定电流为20mA，电压值额定范围也很小只有大约0到3V，因此我们需要在电路中加上一个可调电阻来使电压值在量程范围内，并且通过可调电阻来调节LED两端的电压，从而获得多组数据。常见的LED的V-I特性曲线如图2.3所示。

图2.3 LED的V-I特性曲线

LED的V-I特性曲线通常可以分为三个区域：正向特征区域、反向特征区域和反向击穿区域。本次测试系统主要只研究正向特征区域，正向特征区域就是当正向电压在很小时，LED的内阻很大，电流就会很小，此时LED也不会发光，而当电压超过某一数值后，电流会急剧增加，LED的光强也会越来越大。

2.4 本章小结

本章主要介绍LED的光电特性和具体的测量方法。LED是一种半导体二极管，主要依靠内部的小灯珠来发光，灯珠内有P、N型半导体层。LED内部的自由电子和空穴的复合作用使得LED能够发光。在介绍了LED的基本知识后，紧接着讲述了LED的光学特性，如发光强度、光通量等，发光强度其实就是在某一方向上单位体积内的光量，中间还提出了“平均发光强度”的概念，平时测量的更多的就是平均发光强度。在介绍了光学特性后，还详细介绍了发光强度的测量方法和原理，介绍了发光强度的相关知识后，接着介绍了光通量，光通量是指在单位时间内从光源发射出的光量，光通量和发光强度两者互相影响，往往都是放在一起研究。介绍完光学特性和测量方法后，再介绍LED的电学特性及测量方法，LED的电学特性也是LED许多特性中比较重要的一部分，因为LED的电学特性参数是衡量LED能否正常工作的主要依据。研究LED的电学特性，主要是研究它的V-I特性和P-V特性，是因为LED的电学特性基本都可以用V-I特性和P-V特性来表征，V-I特性也是LED电学特性中最基础的部分。测量这些电学特性的方法就是用一个恒压源给LED供电，然后调节电流值到LED合适的工作电流，然后测量电压值，其中要注意采集卡只能采集电压信号，因此要想办法将电流信号转换为电压信号来测量，采用的方法就是加上一个定值电阻来将电流信号转换为电压信号，还要注意LED的电流和电压的范围都很小，要控制不要超过测量范围。

第3章 LED特性测试的硬件系统

3.1 测试系统总体的设计与研究

本节主要介绍测试系统的设计原理和过程，根据测试要求，测试系统主要针对LED的光、电特性进行测试，总体的设计思路大概为先测试LED的电学特性，即V-I特性和P-V特性。具体的操作为先在面包板上搭建测量电路，由计算机充当电源来供电，LED的额定电流为20mA，给LED串联一个定值电阻后，再接入一个可调电阻，具体测试电路如图3.1所示。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：