LED相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

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

5.2電學(xué)參數(shù)

5.3光譜曲線

5.4光度學(xué)參數(shù)5.5熱學(xué)參數(shù)

5.6其它參數(shù)可見(jiàn)光輻射度學(xué)、光度學(xué)和色度學(xué)的關(guān)系

光度學(xué)色度學(xué)

輻射度

學(xué)顏色輻射度學(xué)：對(duì)電磁輻射能量的研究及計(jì)量的學(xué)科。光度學(xué)：在可見(jiàn)光波段內(nèi)，考慮人

眼主觀因素后的相應(yīng)計(jì)量學(xué)科。色度學(xué)：研究顏色理論及人眼對(duì)顏

色感覺(jué)規(guī)律的學(xué)科。小貼士：電磁波波長(zhǎng)1nm～1mm；可見(jiàn)光波長(zhǎng)380nm～780nm。各度量對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射度學(xué)量光度學(xué)量色度學(xué)量量公式單位量公式單位量符號(hào)單位輻射量UJ光能Qlm·S主波長(zhǎng)λdnm輻射通量(功率)PW光通量Flm色度坐標(biāo)X,Y/輻射強(qiáng)度JW/sr發(fā)光強(qiáng)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(zhǎng)λpnm在各個(gè)輻射度量乘上一個(gè)與視覺(jué)有關(guān)的比例系數(shù)——視敏度Kλ即可得到各個(gè)光度量，如：下文主要講解各個(gè)度量的定義及計(jì)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(guò)程就稱(chēng)為黑體輻射。1.3輻射度量

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

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

V(λ)=K(λ)/K(555)=P(555)/P(λ)在暗視覺(jué)條件下，人眼對(duì)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(duì)于可見(jiàn)光的輻射通常采用光度學(xué)的量來(lái)描述，輻射度量?jī)H與客觀條件有關(guān)，而光度量還與人眼有視見(jiàn)度有關(guān)，它是一種生物物理量。

輻射度量的各個(gè)量乘以一個(gè)與視覺(jué)有關(guān)的系數(shù)—視敏度Kλ就可以得到光度學(xué)的各個(gè)量。相對(duì)可見(jiàn)度00.20.40.60.81400500600700λ/nm圖2-1：相對(duì)視敏曲線507555暗視覺(jué)明視覺(jué)2.5.1光能Qλ

人眼能感覺(jué)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(shí)間內(nèi)所輻射的能量并為人眼所感覺(jué)的那部分稱(chēng)為光通量Fλ,它表示單位時(shí)間內(nèi)流出光能的大小,單位流明(lm)。式中，Kλ表示波長(zhǎng)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(zhǎng)下所測(cè)得的光通量與輻射通量之比。Km=680lm/W表示人的日間視覺(jué)在550nm處能將1W功率轉(zhuǎn)變成680lm的光能。

(2-5)(2-6)各波長(zhǎng)發(fā)出的總光通則為：2.5.3光強(qiáng)Iv光源在單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量稱(chēng)為光強(qiáng)Iv，單位坎德拉(cd)，1cd=1000mcd(毫坎德拉)。如點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光強(qiáng)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(diǎn)光源)為項(xiàng)點(diǎn)的一個(gè)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(zhǎng)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：?jiǎn)挝唬耗崽?nit)或坎德拉開(kāi)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(qiáng)的關(guān)系：當(dāng)θ=90℃時(shí)為法向光強(qiáng)，此時(shí)：(2-12)(2-13)(2-14)3.色度學(xué)3.1三基色原理三基色理論認(rèn)為，人眼視網(wǎng)膜中有三種不同感色的細(xì)胞。每種細(xì)胞的響應(yīng)分別對(duì)應(yīng)于特定波長(zhǎng)的藍(lán)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(guò)神經(jīng)與大腦溝通。色覺(jué)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(jué)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(shuō)，任何顏色的光都是由上述三種基色合成的確，如紅+藍(lán)+綠=白，紅+藍(lán)=紫，紅+綠=黃，藍(lán)+綠=青，用R，G，B來(lái)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(gè)分量，采用歸一化消去其中一個(gè)非獨(dú)立變量而引入2個(gè)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?qǐng)D(2-2)所示的二維圖形的某一點(diǎn)確定，其中x和y都是從0到1。這就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)照明委員會(huì)1931年提出的色度圖，又稱(chēng)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(chēng)三色系數(shù)，X、Y、Z稱(chēng)為三色視覺(jué)值。國(guó)際照明協(xié)會(huì)還給出了各種單色光的視覺(jué)值表，可以通過(guò)(3-2)公式計(jì)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(diǎn)均為不存在的顏色。波長(zhǎng)XYZ波長(zhǎng)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(jué)值x、y的缺陷—均勻色度標(biāo)尺

后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)使用(X，Y)圖進(jìn)行顏色辨別工作有嚴(yán)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(dāng)橢圓)表示離開(kāi)中心點(diǎn)的任何方向上的等色差。這說(shuō)明(X，Y)圖是不均勻的，也就是說(shuō)在X，Y上有相等的距離并不意味著在視覺(jué)上有相同的色差。于是國(guó)照明委員會(huì)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(xué)3.2.1白光定義白光是紅、綠、藍(lán)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(diǎn)表示。由于互補(bǔ)色的定義是它們之和組成白光，故通過(guò)W點(diǎn)而與舌形軌跡線相交的λ1λ2兩點(diǎn)所代表的顏色便是互補(bǔ)色。圖3-3：CIE-1931色度圖中的麥克亞當(dāng)橢圓圖3-4：CIE-1976色度圖中的麥克亞當(dāng)橢圓3.2.2主波長(zhǎng)和純度主波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)WG的百分?jǐn)?shù)即為F的純度：圖中F點(diǎn)的純度為75%，G點(diǎn)純度為100%。G點(diǎn)處光譜軌跡上的波長(zhǎng)即為光源F的主波長(zhǎng)λd。如G點(diǎn)落于PQ上（如圖H光源），主波長(zhǎng)用補(bǔ)償波長(zhǎng)來(lái)代表，補(bǔ)償波長(zhǎng)下以注腳“C”表示。如圖H光源的主波長(zhǎng)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(shí)，稱(chēng)黑體的溫度TC為光源的色溫(光源在黑體線上），用絕對(duì)溫度K(K=t+273.16℃)。當(dāng)光源新發(fā)出的光的顏色在某一溫度輻射的顏色接近時(shí)(光源在黑體線附近)，黑體溫度就稱(chēng)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(jì)算出的色坐標(biāo)畫(huà)出，就構(gòu)成了一條稱(chēng)為完全輻射體色度軌跡光滑曲線(黑體軌跡)。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)為方便起見(jiàn)，采用色溫K來(lái)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(duì)黑體的坐標(biāo)色溫顏色氣氛效果1000K冷白清涼(偏藍(lán)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(yáng)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(yáng)光下的顏色相比較之?dāng)?shù)值，是表明光源發(fā)射的光對(duì)被照物顏色正確反映的量。Ra是光源對(duì)8個(gè)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(dǎo)體的載流子——電子和空穴半導(dǎo)體是以共價(jià)鍵結(jié)合形成的晶體，各原子共用其外層電子。當(dāng)一個(gè)電子受激發(fā)成為自由電子時(shí)，共有電子出現(xiàn)一個(gè)空缺，這個(gè)空缺稱(chēng)為穴。在半導(dǎo)體內(nèi)起導(dǎo)電作用的電子和空穴統(tǒng)稱(chēng)為載流子。純凈的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。4.2N型和P型半導(dǎo)體

在4價(jià)硅晶體中摻入5價(jià)磷，多出一個(gè)價(jià)電子，形成N型半導(dǎo)體。

在4價(jià)硅晶體中摻入3價(jià)硼，缺少一個(gè)價(jià)電子（多出一個(gè)空穴），形成P型半導(dǎo)體。4.3PN結(jié)將半導(dǎo)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(chēng)為PN結(jié)。4.4LED的發(fā)光原理當(dāng)給某些半導(dǎo)體的PN結(jié)通電時(shí)，空穴和電子在外電場(chǎng)的作用下復(fù)合，復(fù)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(zhǎng)主要取決了禁帶寬度Eg，如下：(4-1)P電極ITOP-GaNn-GaNN電極GaN藍(lán)寶石P電極P-GaAsn-GaAsInAlGaP空穴+電子復(fù)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(lán)綠芯片5.LED特性參數(shù)評(píng)價(jià)LED性能指標(biāo)的特性參數(shù)如下：電學(xué)參數(shù)光學(xué)參數(shù)熱學(xué)參數(shù)特性曲線名稱(chēng)符號(hào)單位名稱(chēng)符號(hào)單位名稱(chēng)符號(hào)單位伏安特性曲線正向電流IFmA主波長(zhǎng)λdnm熱阻Rθ℃/W光譜特性曲線正向電壓VFV峰值波長(zhǎng)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(biāo)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(dāng)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(duì)溫度，I0為反向飽和電流（又稱(chēng)起始電流）。在LEDPN結(jié)上加反向電壓，在較低時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的電流很微弱，幾乎為零（一般為零點(diǎn)零幾微安），這時(shí)流過(guò)PN結(jié)的電流稱(chēng)為反向飽和電流。(5-1)圖5-1：LED伏安特性曲線5.2電學(xué)參數(shù)正向電流IF通過(guò)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(guò)LED的正向電流IF為確定值時(shí)，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。一般藍(lán)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(shí)，流過(guò)LED的電流。一般IR﹤10μA@5V；反向電壓VR

通過(guò)的反向電流為IR確定值時(shí)，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(duì)強(qiáng)度(能量)隨波長(zhǎng)變化的分布曲線。發(fā)光器件在λ1

～λ2波長(zhǎng)

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

LED法線方向的光強(qiáng)，測(cè)試時(shí)，對(duì)光度探測(cè)器來(lái)說(shuō)，LED應(yīng)能看成點(diǎn)光源，所以根據(jù)LED的大小，測(cè)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(qiáng)度分布圖形中，

光強(qiáng)等于最大強(qiáng)度一半

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

單色光通常用主波長(zhǎng)來(lái)確定顏色，顏色的主波長(zhǎng)相當(dāng)于人眼觀察到的顏色的色調(diào)，是個(gè)心理量。色度坐標(biāo)

白光通常用色度坐標(biāo)(X，Y)來(lái)表示其在色度圖中的位置。光通量Φv

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

當(dāng)電流流過(guò)LED的PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)的溫度將上升，結(jié)區(qū)的溫度則稱(chēng)為L(zhǎng)ED的結(jié)溫。因?yàn)樾酒^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(gè)節(jié)點(diǎn)間單位熱功率運(yùn)輸所產(chǎn)生的溫度差，即：?jiǎn)挝弧?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(duì)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(dǎo)熱系數(shù)λ導(dǎo)熱