LED相關(guān)基礎(chǔ)知識

佛山市國星光電股份有限公司光電子工程技術(shù)研究開發(fā)中心2011年5月9日目錄輻射度學光度學色度學PN結(jié)及LED發(fā)光原理LED參數(shù)5.1I-V曲線

5.2電學參數(shù)

5.3光譜曲線

5.4光度學參數(shù)5.5熱學參數(shù)

5.6其它參數(shù)可見光輻射度學、光度學和色度學的關(guān)系

光度學色度學

輻射度

學顏色輻射度學：對電磁輻射能量的研究及計量的學科。光度學：在可見光波段內(nèi)，考慮人

眼主觀因素后的相應(yīng)計量學科。色度學：研究顏色理論及人眼對顏

色感覺規(guī)律的學科。小貼士：電磁波波長1nm～1mm；可見光波長380nm～780nm。各度量對應(yīng)關(guān)系輻射度學量光度學量色度學量量公式單位量公式單位量符號單位輻射量UJ光能Qlm·S主波長λdnm輻射通量(功率)PW光通量Flm色度坐標X,Y/輻射強度JW/sr發(fā)光強度Icd色溫TcK輻射照度HW/m2照度Elux顯色指數(shù)Ra/輻射亮度RθW(m·Sr)亮度Bθnit峰值波長λpnm在各個輻射度量乘上一個與視覺有關(guān)的比例系數(shù)——視敏度Kλ即可得到各個光度量，如：下文主要講解各個度量的定義及計量方法。表

各量列表1.黑體輻射1.1黑體

能夠全部吸收入射的任何頻率的電磁波的理想物體。1.2黑體輻射任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)，這種能量的傳遞過程就稱為黑體輻射。1.3輻射度量

用于評估價黑體的輻射，有輻射能量、輻射通量、輻射強度、輻射亮度、輻射照度。2.光度學2.1光源能量的輻射分布光源的總輻射能量是各種波長能量之和，波長不同，能量也不同。其光普涉及紫外光到紅外光整個范圍，與人眼對亮度和顏色的靈敏度無關(guān)。2.2視敏函數(shù)人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度，通常我們用輻射功率的倒數(shù)來衡量人眼對波長λ光的敏感程度，稱之為視敏函數(shù)，即：(2-1)(2-2)2.3視見函數(shù)通覺人眼只能感受到從(380～780)nm范圍的可見光，而且在可見光中對各種波長的光的響應(yīng)程度也是不同的。我們把人眼響應(yīng)隨波長而變化的函數(shù)關(guān)系稱為視見函數(shù)，用V(λ)表示。2.4相對視見函數(shù)

任意波長λ光的視敏函數(shù)與最大視敏函數(shù)的比值稱為相對視敏函數(shù)。在明亮條件下，人眼對555nm黃綠光有最高靈敏度，

V(λ)=K(λ)/K(555)=P(555)/P(λ)在暗視覺條件下，人眼對507nm青偏綠光有最高靈敏度，

V(λ)=K’(λ)/K’(507)=P’(507)/P’(λ)(2-4)(2-3)

2.5光度量

對于可見光的輻射通常采用光度學的量來描述，輻射度量僅與客觀條件有關(guān)，而光度量還與人眼有視見度有關(guān)，它是一種生物物理量。

輻射度量的各個量乘以一個與視覺有關(guān)的系數(shù)—視敏度Kλ就可以得到光度學的各個量。相對可見度00.20.40.60.81400500600700λ/nm圖2-1：相對視敏曲線507555暗視覺明視覺2.5.1光能Qλ

人眼能感覺到那部分輻射能量Uλ

，單位lm·S。2.5.2光通量輻射體單位時間內(nèi)所輻射的能量并為人眼所感覺的那部分稱為光通量Fλ,它表示單位時間內(nèi)流出光能的大小,單位流明(lm)。式中，Kλ表示波長為λ的輻射通量每瓦可以產(chǎn)生多少流明的光通量，即同一波長下所測得的光通量與輻射通量之比。Km=680lm/W表示人的日間視覺在550nm處能將1W功率轉(zhuǎn)變成680lm的光能。

(2-5)(2-6)各波長發(fā)出的總光通則為：2.5.3光強Iv光源在單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量稱為光強Iv，單位坎德拉(cd)，1cd=1000mcd(毫坎德拉)。如點光源在單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光強是各向相同，則光通量為：(2-7)dωdσNVθc(2-9)圖2-2：光源發(fā)光(2-8)立體角ω立體角dω是指以物體(點光源)為項點的一個封閉錐體的錐角，其大小等于錐體底面積dσ與錐體的斜邊邊長r的平方之比，即：2.5.4亮度B發(fā)光體之表面dσ在與其法向成θ角的方向上的亮度Bθ，即：單位：尼特(nit)或坎德拉開每平方(cd/m2)。dωdσc圖2-3：立體角示意圖(2-10)(2-11)2.5.5照度E照度E表示被照明物體的單位面積dσ所接受的總光通量，單位勒克斯(LUX)或流明每平方(lm/m2)：照度與光強的關(guān)系：當θ=90℃時為法向光強，此時：(2-12)(2-13)(2-14)3.色度學3.1三基色原理三基色理論認為，人眼視網(wǎng)膜中有三種不同感色的細胞。每種細胞的響應(yīng)分別對應(yīng)于特定波長的藍光、綠光和紅光。這三種感色物質(zhì)在響應(yīng)中出現(xiàn)大量的重疊信息，而且都通過神經(jīng)與大腦溝通。色覺就是這三種感色物質(zhì)有關(guān)刺激傳到大腦，經(jīng)大腦分析后得到的。人們所感覺到的彩色都是由于這些不同程度的刺激所合成的。也就是說，任何顏色的光都是由上述三種基色合成的確，如紅+藍+綠=白，紅+藍=紫，紅+綠=黃，藍+綠=青，用R，G，B來表示三基色，則任何顏色C可表示為：(3-1)

X、Y、Z就是某一顏色C的3個分量，采用歸一化消去其中一個非獨立變量而引入2個新變量：

只要確定x和y值，z即可由式(3-3)求得，因此顏色可以按照圖(2-2)所示的二維圖形的某一點確定，其中x和y都是從0到1。這就是國際標準照明委員會1931年提出的色度圖，又稱舌形圖。(3-2)(3-3)圖3-1：CIE-1931色度圖圖3-2：CIE-1931色度圖x、y、z稱三色系數(shù)，X、Y、Z稱為三色視覺值。國際照明協(xié)會還給出了各種單色光的視覺值表，可以通過(3-2)公式計算出三色系數(shù)。自然界中的任何一種顏色均存在于色度圖中，色度圖以外的點均為不存在的顏色。波長XYZ波長XYZ4000.01430.00040.06795800.91630.87000.00114300.28390.01161.38566101.00260.50300.00034600.29080.06001.66926400.44790.1750-4900.03200.20800.45626700.08740.0320-5200.06330.71000.07827000.01140.0041-5500.43340.99500.00877100.00580.0021-表3-1部份單色三色視覺值x、y的缺陷—均勻色度標尺

后來研究發(fā)現(xiàn)使用(X，Y)圖進行顏色辨別工作有嚴重缺陷。最小可辨色差的大小，隨其在圖上的位置和產(chǎn)生色差的方向變化而不同，橢圓(麥克亞當橢圓)表示離開中心點的任何方向上的等色差。這說明(X，Y)圖是不均勻的，也就是說在X，Y上有相等的距離并不意味著在視覺上有相同的色差。于是國照明委員會分別在1960年和1976年提出了不起新的變換式以改善這種現(xiàn)象。(3-4)(3-5)CIE-1960CIE-19763.2色度學3.2.1白光定義白光是紅、綠、藍三種顏色光的均勻混合而成，其x，y值分別為1/3，1/3，在色度圖中用W(1/3，1/3)點表示。由于互補色的定義是它們之和組成白光，故通過W點而與舌形軌跡線相交的λ1λ2兩點所代表的顏色便是互補色。圖3-3：CIE-1931色度圖中的麥克亞當橢圓圖3-4：CIE-1976色度圖中的麥克亞當橢圓3.2.2主波長和純度主波長和純度是描述顏色的色調(diào)和飽和度，在色度圖中可以由波長和純度確定顏色。色調(diào)是表示顏色相互區(qū)分的屬性，而飽和度是指顏色的純度。用F表示光源在色度圖中的位置，選定白光W作照明光源，光源F的純度定義為，自W向F作一直線，與單色光軸相交于G，距離WF占總長WG的百分數(shù)即為F的純度：圖中F點的純度為75%，G點純度為100%。G點處光譜軌跡上的波長即為光源F的主波長λd。如G點落于PQ上（如圖H光源），主波長用補償波長來代表，補償波長下以注腳“C”表示。如圖H光源的主波長即為502Cnm。(3-6)3.3.3色溫和相關(guān)色溫光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與某一溫度下黑體輻射的顏色相同時，稱黑體的溫度TC為光源的色溫(光源在黑體線上），用絕對溫度K(K=t+273.16℃)。當光源新發(fā)出的光的顏色在某一溫度輻射的顏色接近時(光源在黑體線附近)，黑體溫度就稱為該光源的相關(guān)色溫。在色度圖中根據(jù)黑體輻射的光譜功率分布曲線計算出的色坐標畫出，就構(gòu)成了一條稱為完全輻射體色度軌跡光滑曲線(黑體軌跡)。在實際應(yīng)用中，有時為方便起見，采用色溫K來表示顏色，顯然，這是一種近似的表示方法。TCKxy5000.7210.27910000.6520.34515000.5860.39318000.5490.40820000.5260.41323000.4950.41550000.3450.35160000.3220.33170000.3060.316100000.2800.288240000.2500.253∞0.2400.234表3-2絕對黑體的坐標色溫顏色氣氛效果1000K冷白清涼(偏藍的白色)冷的氣氛6000K正白4000K中性白中間(白色)爽快的氣氛3000K曖白溫曖(偏紅的白色)穩(wěn)重的氣氛

光

源

色

溫(K)

光

源

色

溫(K)

北方晴空8000～8500

高壓汞燈3450～3750

陰

天6500～7500

曖色熒光燈2500～3000夏日正午陽光5500

鹵

素

燈3000金屬鹵化物燈4000～4600

鎢

絲

燈2700

下午日光4000

高壓納燈1950～2250冷色熒光燈4000～5000

LED燈

全系列表3-3光色效果表3-4光源與色溫3.3.4顯色指數(shù)Ra燈光下所顯示的顏色與陽光下的顏色相比較之數(shù)值，是表明光源發(fā)射的光對被照物顏色正確反映的量。Ra是光源對8個色樣顯色指數(shù)的算術(shù)平均值：(3-7)圖3-3：物體在不同Ra下的顏色4.LED發(fā)光原理4.1半導體的載流子——電子和空穴半導體是以共價鍵結(jié)合形成的晶體，各原子共用其外層電子。當一個電子受激發(fā)成為自由電子時，共有電子出現(xiàn)一個空缺，這個空缺稱為穴。在半導體內(nèi)起導電作用的電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。純凈的半導體稱為本征半導體。4.2N型和P型半導體

在4價硅晶體中摻入5價磷，多出一個價電子，形成N型半導體。

在4價硅晶體中摻入3價硼，缺少一個價電子（多出一個空穴），形成P型半導體。4.3PN結(jié)將半導體的一部份做成P型，另一部份做成N型，P型和N型界面及其相鄰的部位稱為PN結(jié)。4.4LED的發(fā)光原理當給某些半導體的PN結(jié)通電時，空穴和電子在外電場的作用下復合，復合產(chǎn)生的多余的能量以光子的形式向外發(fā)射。

LED的發(fā)光波長主要取決了禁帶寬度Eg，如下：(4-1)P電極ITOP-GaNn-GaNN電極GaN藍寶石P電極P-GaAsn-GaAsInAlGaP空穴+電子復合光子P區(qū)N區(qū)InGaN/GaNMQW圖4-1：LED發(fā)光原理圖4-2：四元紅橙黃芯片N接觸圖4-3：GaN基藍綠芯片5.LED特性參數(shù)評價LED性能指標的特性參數(shù)如下：電學參數(shù)光學參數(shù)熱學參數(shù)特性曲線名稱符號單位名稱符號單位名稱符號單位伏安特性曲線正向電流IFmA主波長λdnm熱阻Rθ℃/W光譜特性曲線正向電壓VFV峰值波長λpnm結(jié)溫T℃溫度特性曲線反向漏電IRmA半波寬度Δλnm反向電壓VRV發(fā)光角度2θ1/2℃功率PW色度坐標X,Y/極限功率PmaxmW顯色指數(shù)Ra/表5-1LED特性參數(shù)5.1LED伏安特性曲線I-V特性曲線：令，VT為溫度電壓當量，常溫下，VT=26mV。式中q為電子電荷電，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，I0為反向飽和電流（又稱起始電流）。在LEDPN結(jié)上加反向電壓，在較低時，流過PN結(jié)的電流很微弱，幾乎為零（一般為零點零幾微安），這時流過PN結(jié)的電流稱為反向飽和電流。(5-1)圖5-1：LED伏安特性曲線5.2電學參數(shù)正向電流IF通過LED兩端的電流，一般小功率IF=20mA，大功率IF=350mA；正向電壓VF通過LED的正向電流IF為確定值時，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。一般藍綠VF=3.0V@20mA，黃橙紅VF=2.0@20mA；反向漏電IR

加在LED兩端的反向電壓VF為確定值時，流過LED的電流。一般IR﹤10μA@5V；反向電壓VR

通過的反向電流為IR確定值時，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。

功率P

LED功耗，電流與電壓的乘積，，小功率一般為(40～60)mW,大功率有0.5W，1W。5.3光譜曲線光譜分布曲線Pλ是指發(fā)光的相對強度(能量)隨波長變化的分布曲線。發(fā)光器件在λ1

～λ2波長

范圍內(nèi)的Pλ可表示為：峰值波長λP光譜輻射功率最大的波長。半波寬度Δλ光譜輻射功率大于等于最大值一半的波長間隔。圖5-2：光譜曲線圖(5-2)5.4光學參數(shù)法向光強IV

LED法線方向的光強，測試時，對光度探測器來說，LED應(yīng)能看成點光源，所以根據(jù)LED的大小，測試條件有A和B之分，通常采取B條件。發(fā)光角度(半角值2θ1/2)在發(fā)光強度分布圖形中，

光強等于最大強度一半

構(gòu)成的角度。CIE推薦LED頂端到探測器的距離d立體角平面角(全角)標準條件A316mm0.001sr20標準條件B100mm0.01sr6.50表5-2CIE推薦的標準條件A和B主波長λd

單色光通常用主波長來確定顏色，顏色的主波長相當于人眼觀察到的顏色的色調(diào)，是個心理量。色度坐標

白光通常用色度坐標(X，Y)來表示其在色度圖中的位置。光通量Φv

光通量的測試可用積分法求得，有光強積分法和照度積分法。光強積分法：式中，是被測光源在空間方向上的光強。照度積分法：式中E為包圍被測光源產(chǎn)品的虛擬球表面S的照度。(5-3)(5-4)5.5熱學參數(shù)LED結(jié)溫Tj

當電流流過LED的PN結(jié)時，PN結(jié)的溫度將上升，結(jié)區(qū)的溫度則稱為LED的結(jié)溫。因為芯片較小，常常把LED芯片的溫度看作是結(jié)溫。LED芯片的最高工作結(jié)溫一般為120℃。熱阻Rθ兩個節(jié)點間單位熱功率運輸所產(chǎn)生的溫度差，即：單位℃/W或K/W結(jié)到管腳管的熱阻用Rthj-s表示，結(jié)到基板的熱阻用Rthj-b表示。對不同的器件，Rthj-s和Rthj-b有差異，但差異不大。LED熱阻，一般小功率的為200℃/W，大功率為10℃/W。(5-5)JSb導熱系數(shù)λ導熱