实验十五用光学多通道分析器研究发光二极管光谱 光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地 质、冶金和考古等部门.常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱.涉及的波段从x 射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段.本实验通过测量发光二极管的发射光 谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法. 【实验目的】 1.了解发光二极管发射光谱： 2.测量发光二极管相对输出光强，和正向电流！关系： 3.掌握多通道分析器的原理和使用方法. 【实验原理】 1.发光二极管的光学特性 半导体发光二极管与普通二极管和双极晶体管一样，具有低工作电压和低阻抗特点， 是一种电流型器件。发光二极管体积小、重量轻、寿命长、结构牢固、工作可靠，己得到 广泛应用。 发光二极管根据芯片发光波长可以分成红色、橙色、绿色、兰色和多色等数种类型。 发光二极管主要光学性质有 (1)发射光谱曲线 10c 筒 80 60 40 600 620 640680680700720740760780800820 波长(nm) 图(1)发光二极管发射光谱曲线 图(1)给出了典型发光二极管发射光谱曲线。发光二极管发光峰值波长。由半导体 -80-
实验十五 用光学多通道分析器研究发光二极管光谱 光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地 质、冶金和考古等部门．常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱．涉及的波段从 x 射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段．本实验通过测量发光二极管的发射光 谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法． 【实验目的】 1．了解发光二极管发射光谱； 2．测量发光二极管相对输出光强iv 和正向电流If 关系； 3．掌握多通道分析器的原理和使用方法． 【实验原理】 1．发光二极管的光学特性 半导体发光二极管与普通二极管和双极晶体管一样，具有低工作电压和低阻抗特点， 是一种电流型器件。发光二极管体积小、重量轻、寿命长、结构牢固、工作可靠，已得到 广泛应用。 发光二极管根据芯片发光波长可以分成红色、橙色、绿色、兰色和多色等数种类型。 发光二极管主要光学性质有 （1）发射光谱曲线 相 对 发光 光 强 图（1）发光二极管发射光谱曲线 图（1）给出了典型发光二极管发射光谱曲线。发光二极管发光峰值波长λp 由半导体 - 80 -
材料的能隙宽度或发光中心的能级位置确定。它决定了LED的发光颜色，光谱半宽度△，标 志光谱的纯度，同时可以衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散程度，典型发光 二极管的光谱半宽度为20-l00nm。 (2)发光强度1，和正向电流山关系曲线 曲线1 6 4 曲线2 2 0 10 30 0 50 正向电流（mA) 图(2)发光二极管发光强度1和正向电流！关系曲线 图(2)给出了二种典型的发光二极管发光强度弘，和正向电流1：关系曲线，其中曲线 (1)随正向电流增加而线性上升，且不饱和，而曲线(2)增加得慢且迅速饱和。 2.光学多通道分析器(OMA) 利用现代电子技术接收和处理某一波长范围(2，~入2)内光谱信息的光学多通道检测系 统的基本框图如图3所示 A/D 微机数据 CCD 采集处理 系统 图3光学多通道检测系统的基本框图 入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成入1~入2的谱带.位于出射窗口处的多通道光 电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A/D 变换后存贮并显示在计算机上 OMA的优点是所有的像元(N个)同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道 光谱系统检测同一段光谱的总时间快N倍.在摄取一段光谱的过程中不需要光谱仪进行机 -81-
材料的能隙宽度或发光中心的能级位置确定。它决定了LED的发光颜色，光谱半宽度Δλ标 志光谱的纯度，同时可以衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散程度，典型发光 二极管的光谱半宽度为 20~100nm。 （2）发光强度Iv和正向电流If 关系曲线 0 10 20 30 40 50 0 2 4 6 8 10 正向电流 If ( mA ) 曲线1 曲线2 图（2）发光二极管发光强度Iv和正向电流If 关系曲线 图（2）给出了二种典型的发光二极管发光强度Iv 和正向电流 If 关系曲线，其中曲线 （1）随正向电流增加而线性上升，且不饱和，而曲线（2）增加得慢且迅速饱和。 2．光学多通道分析器（OMA） 利用现代电子技术接收和处理某一波长范围（λ1～λ 2）内光谱信息的光学多通道检测系 统的基本框图如图 3 所示． 图 3 光学多通道检测系统的基本框图 入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成λ1 ~ λ 2的谱带．位于出射窗口处的多通道光 电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A / D 变换后存贮并显示在计算机上． OMA 的优点是所有的像元（N 个）同时曝光，整个光谱可同时取得，比一般的单通道 光谱系统检测同一段光谱的总时间快 N 倍．在摄取一段光谱的过程中不需要光谱仪进行机 - 81 -
械扫描，不存在由于机械系统引起的波长不重复的误差：减少了光源强度不稳定引起的谱 线相对强度误差：可测量光谱变化的动态过程 多色仪及光源部分的光路见图.光源$经透镜L成像于多色仪的入射狭缝$1，入射光经 平面反射镜M1转向90°，经球面镜M2反射后成为平行光射向光栅G.衍射光经球面镜M3和 M4成像于观察屏P.由于各波长光的衍射角不同，在P 处形成以某一波长为中心的一条光谱带，使用者可 在P上直观地观察到光谱特征.转动光栅G可改变中心 波长，整条谱带也随之移动.多色仪上有显示中心波 长入o的波长计.转开平面镜M4可使M3直接成像于光电 金属 探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全 ++++++++++ 一致. Si02 CCD是电荷耦合器件(Charge-Coupled Device) 昌3日8日8R层 的简称，是一种以电荷量表示光强大小，用耦合方式 P-Si 传输电荷量的器件，它具有自扫描、光谱范围宽、动 h 态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优 点.将CCD一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获 得整个光谱.目前，二维面阵CCD己大量用于摄像机 图4CCD结构图 和数字照相机. CCD的结构如图4所示，衬底是P型Si,硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属 作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容.如果金属电极置于高电位，在金属界面积累 了一层正电荷，P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂 质离子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何贡献.在耗尽 区内或附近，由于光子的作用产生电子空穴对，电子被吸引到半导体与$O,绝缘体的界面 形成电荷包，这些电子是可以传导的.电荷包中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比， 很多排列整齐的CCD像元组成一维或二维CCD阵列，曝光后一帧光强分布图将成为一帧电 荷分布图 我们采用的是具有2048个像元的CCD一维线阵，其光谱响应范围为2001000m,响 应峰值在550nm,动态范围大于2°.每个像元的尺寸在14μm×14μum,像元中心距为14 um,像敏区总长为28.672mm.多色仪中M2,M3的焦距302mm,光栅常数为1/600mm, 在可见光区的线色散△，/△1（光谱面上单位宽度对应的波长范围）约为5.55nm/mm,由 此可知CCD一次测量的光谱范围为5.55×28.67约为159m.光谱分辨率即两个像元之间 波长相差约0.077nm.在OMA中每个像元称为一“道”，本实验的系统是2048道OMA. 每次采样（曝光）后每个像元内的电荷在时钟脉冲的控制下顺序输出，经放大、模数 (A/D)转换，将电荷即光强顺序存入采集系统（微机）的寄存器，经微机处理后，在显 示器上就可看到我们熟悉的光谱图.移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所处的道数 和相对光强值 使用者可通过屏幕提示来操作采集系统，一般操作界面主窗口下包括的菜单项有： (1)文件一主要提供文件打开/关闭、结果打印和程序退出等功能. (2)运行一一主要包含一些数据采集子菜单项，如实时采集、背景采集和改变起始波 长等 (3)数据处理一一主要提供对采集到的光谱数据进行操作处理的功能，如定标、平滑、 -82-
械扫描，不存在由于机械系统引起的波长不重复的误差；减少了光源强度不稳定引起的谱 线相对强度误差；可测量光谱变化的动态过程． 多色仪及光源部分的光路见图．光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S1，入射光经 平面反射镜M1转向 90°，经球面镜M2反射后成为平行光射向光栅G．衍射光经球面镜M3和 M4成像于观察屏P．由于各波长光的衍射角不同，在P 处形成以某一波长λ0为中心的一条光谱带，使用者可 在P上直观地观察到光谱特征．转动光栅G可改变中心 波长，整条谱带也随之移动．多色仪上有显示中心波 长λ0的波长计．转开平面镜M4可使M3直接成像于光电 探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全 一致． 图 4 CCD 结构图 CCD 是电荷耦合器件（Charge-Coupled Device） 的简称，是一种以电荷量表示光强大小，用耦合方式 传输电荷量的器件，它具有自扫描、光谱范围宽、动 态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等优 点．将 CCD 一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获 得整个光谱．目前，二维面阵 CCD 已大量用于摄像机 和数字照相机． CCD的结构如图 4 所示，衬底是P型Si，硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属 作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容．如果金属电极置于高电位，在金属界面积累 了一层正电荷，P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂 质离子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何贡献．在耗尽 区内或附近，由于光子的作用产生电子-空穴对，电子被吸引到半导体与SiO2绝缘体的界面 形成电荷包，这些电子是可以传导的．电荷包中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比， 很多排列整齐的CCD像元组成一维或二维CCD阵列，曝光后一帧光强分布图将成为一帧电 荷分布图． 我们采用的是具有 2048 个像元的CCD一维线阵，其光谱响应范围为 200~1000 nm，响 应峰值在 550 nm，动态范围大于 210．每个像元的尺寸在 14 μm×14 μm，像元中心距为 14 μm，像敏区总长为 28.672 mm．多色仪中M2，M3的焦距 302 mm，光栅常数为 1 / 600 mm， 在可见光区的线色散Δλ /Δl（光谱面上单位宽度对应的波长范围）约为 5.55 nm / mm，由 此可知CCD一次测量的光谱范围为 5.55×28.67 约为 159 nm．光谱分辨率即两个像元之间 波长相差约 0.077 nm．在OMA中每个像元称为一“道”，本实验的系统是 2048 道OMA． 每次采样（曝光）后每个像元内的电荷在时钟脉冲的控制下顺序输出，经放大、模数 （A / D）转换，将电荷即光强顺序存入采集系统（微机）的寄存器，经微机处理后，在显 示器上就可看到我们熟悉的光谱图．移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所处的道数 和相对光强值． 使用者可通过屏幕提示来操作采集系统，一般操作界面主窗口下包括的菜单项有： （1）文件——主要提供文件打开/关闭、结果打印和程序退出等功能． （2）运行——主要包含一些数据采集子菜单项，如实时采集、背景采集和改变起始波 长等． （3）数据处理——主要提供对采集到的光谱数据进行操作处理的功能，如定标、平滑、 - 82 -
扩展、数据读取和两谱图的加减等.定标就是用光标从光谱中找出各已知波长的谱峰所处 的道数，并输入相应的波长值，计算机用最小二乘法拟合道与波长的关系，拟合后的横坐 标由原来的道数标度变为波长标度. (4)设置一用来修正CCD的工作参数和显示模式，如曝光时间、平均次数、累加 次数和显示范围等.增加曝光时间、平均次数和累加次数可增加信噪比和提高弱峰的计数， 但设置曝光时间时要考虑到CCD动态范围的限制. (5)帮助—提供在线帮助. 其他详细说明见仪器说明书. 利用多通道光谱仪测量光谱时，入的狭缝宽度一般不超过0.1mm.利用观察屏P观察 谱线时，狭缝可适当放大以得到可观察的光谱线，但不超过2mm,否则会损坏狭缝， 测量前应调正L,S和多通道仪共轴等高，并使光源成大像于入射狭缝处 实验前在StuData文件夹建立以个人姓名命名的个人文件夹，所有实验文件存入该文 件夹。 【实验仪器】 发光二极管、汞灯、透镜、光学多通道分析仪 【实验内容】 1.利用汞灯分段定标： 2.测量红、黄、绿三种发光二极管发射光谱，峰值波长入和光谱半宽度△x. 3.测量绿色发光二极管归一化发光强度和正向电流江关系曲线。 【注意事项】 1.任何时候狭缝宽度小于3mm. 2.更换光源时应保证光源、透镜和光学多通道分析仪相对位置不变.启动光学多通道 分析仪的步骤为：打开计算机电源，打开CCD电源，置M4控制手柄于CCD位置，打开软件 3.建立个人数据文件夹，把所有实验文件存入个人数据文件夹，应带好软盘，完成实 验后拷贝实验文件. 【预习思考题】 1.在实验中怎样保证多色仪和光源光路的同轴等高？ 2.利用CCD测量光谱时，多色仪狭缝宽度要不大于0.1mm的理由？ 【思考题】 1.试分析在实验室中对同一发光二极管测得，会有明显改变（大于仪器测量误差） 的原因。 2.分析狭缝宽度、实验测量精度和在观察屏上谱线明亮度之间的关系. -83-
扩展、数据读取和两谱图的加减等．定标就是用光标从光谱中找出各已知波长的谱峰所处 的道数，并输入相应的波长值，计算机用最小二乘法拟合道与波长的关系，拟合后的横坐 标由原来的道数标度变为波长标度． （4）设置——用来修正 CCD 的工作参数和显示模式，如曝光时间、平均次数、累加 次数和显示范围等．增加曝光时间、平均次数和累加次数可增加信噪比和提高弱峰的计数， 但设置曝光时间时要考虑到 CCD 动态范围的限制． （5）帮助——提供在线帮助． 其他详细说明见仪器说明书． 利用多通道光谱仪测量光谱时，λ的狭缝宽度一般不超过 0.1 mm．利用观察屏 P 观察 谱线时，狭缝可适当放大以得到可观察的光谱线，但不超过 2 mm，否则会损坏狭缝． 测量前应调正 L，S 和多通道仪共轴等高，并使光源成大像于入射狭缝处． 实验前在 StuData 文件夹建立以个人姓名命名的个人文件夹，所有实验文件存入该文 件夹． 【实验仪器】 发光二极管、汞灯、透镜、光学多通道分析仪 【实验内容】 1．利用汞灯分段定标； 2．测量红、黄、绿三种发光二极管发射光谱，峰值波长λp和光谱半宽度Δλ． 3．测量绿色发光二极管归一化发光强度iv和正向电流If 关系曲线。 【注意事项】 1．任何时候狭缝宽度小于 3 mm． 2．更换光源时应保证光源、透镜和光学多通道分析仪相对位置不变．启动光学多通道 分析仪的步骤为：打开计算机电源，打开CCD电源，置M4控制手柄于CCD位置，打开软件． 3．建立个人数据文件夹，把所有实验文件存入个人数据文件夹，应带好软盘，完成实 验后拷贝实验文件． 【预习思考题】 1．在实验中怎样保证多色仪和光源光路的同轴等高？ 2．利用 CCD 测量光谱时，多色仪狭缝宽度要不大于 0.1 mm 的理由? 【思考题】 1． 试分析在实验室中对同一发光二极管测得λp会有明显改变（大于仪器测量误差） 的原因。 2．分析狭缝宽度、实验测量精度和在观察屏上谱线明亮度之间的关系． - 83 -
【参考资料】 [山杨文明等.近代物理实验.上海交通大学物理实验中心，2001 [2☑]陈泽民等.近代物理与高新技术物理基础.北京：清华大学出版社，2001 [3]段家衹等.普通物理实验.北京：北京大学出版社 【附表】 汞原子主要光谱线（单位：nm) 312.6 313.2 334.2(紫外) 404.7(蓝紫) 407.8(蓝紫) 435.8(蓝) 491.6(绿蓝) 546.1(绿) 577.0(黄) 579.1（黄) 623.4(橙) 690.7(红) -84-
【参考资料】 [1] 杨文明等．近代物理实验．上海交通大学物理实验中心，2001 [2] 陈泽民等．近代物理与高新技术物理基础．北京：清华大学出版社，2001 [3] 段家祗等．普通物理实验．北京：北京大学出版社 【附表】 汞原子主要光谱线（单位：nm） 312.6 313.2 334.2（紫外） 404.7（蓝紫） 407.8（蓝紫） 435.8（蓝） 491.6（绿蓝） 546.1（绿） 577.0（黄） 579.1（黄） 623.4（橙） 690.7（红） - 84 -