LED光电参数定义及其详解

通明电器专业生产防爆灯、探照灯、泛光灯、泛光灯、泛光灯、强光灯、防爆手电筒、眩光手电筒等产品。通名网站：led光电参数定义和说明2.1 LED发光原理LED的实际结构是半导体PN连接的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片，p型半导体和n型半导体之间有一个名为PN连接的过渡层。其发光原理可以解释为PN结的能带结构。制造半导体发光二极管的半导体材料再次掺杂，热平衡状态的n区有很多移动率高的电子，p区有很多移动率低的孔。正常和PN连接障碍的界限不能同时发生自然复合，如果对PN连接施加正电压，则外部电场与障碍区域的自构建电场方向相反，从而降低障碍高度，减小障碍区域的宽度，破坏PN连接的动态平衡，对少数电流者进行电注入16。孔从p区注入n区，相同的电子从n区注入p区，注入的少数载流子与该区的大部分载流量一起持续以光的形式释放过剩能量。2.2可见光谱光是特定波长范围内的一种电磁辐射。电磁辐射像射线一样，是很广、最短的波长，其波长只有几米(10-14-10-15米)，最长的波长可达数千公里(如交流电)。在电磁辐射范围内，如图2-1所示，只有380nm到780nm的波长才能引起人的视觉。图2-1电磁辐射光谱图2-1所示的数字以基本单位表示，即频率为赫兹(Hz)，波长为米(m)。使用上述单位时，波长的数字太大，必须使用较小的单位来测量可见光谱的波长，因此，以1nm=10-9m到纳米(或纳米)表示。人眼能看到的最长、最短的波长780nm和380nm分别位于光谱的红色端和紫色端。电磁波发射范围内有紫外线、x射线、伽马射线、红外线和无线电波。可见光、紫外线和红外线是原子和分子的发光辐射，称为光辐射。x射线、伽马射线等是通过刺激原子内部的电子而产生的辐射，称为核辐射。电振动产生的电磁辐射称为无线电波。对人来说，能为眼睛感觉并产生视觉的光辐射称为可见光辐射；对眼睛没有感觉，也没有产生视觉的光辐射称为隐形辐射。因此，光辐射可以进一步分为可见光和隐形辐射。来自外部世界的可见辐射刺激人的视觉器官，在大脑中创造光、颜色、形状等视觉图像，获得世界的知识。隐形的辐射刺激眼睛的时候不能产生视觉，对皮肤起作用的话紫外线会产生疼痛，会有红外线燃烧的其他感觉。严格地说，只有能够用眼睛感觉到并产生视觉现象的那种放射线才能被看到的放射线或可见光，可以简单地说是光。本文中提到的光是这个定义的光。2.3 LED发光元件的光度参数测量17 1819相关的光度学和辐射度参数包括：1.光通量 v (luminous flux):当通过发光二极管的正向电流为指定值时，元件的光学窗口发出的光通量。2.发光强度iv(发光强度Iv):光源在单位立体角内发出的光通量，可以用iv=d /d 表示。3.相对光谱能量(功率)分布p():光发射波长范围内各个波长的发射能量分布。4.峰值发射波长p(脉冲波长度):光谱发射功率最大值的波长。5.频谱半宽 (FWHM全宽half maximum):两个波长的间隔，等于峰值发射波长的发射功率的一半。2.3.1 LED光通量在放射学中，LED辐射通量e用于测量发光二极管在单位时间内发射的总电磁功率，单位为w(瓦)。指示LED在空间4度范围内每秒发出的功率。LED光源发射的发射通量中可能引起人眼视觉的部分，即光通量v，单位为流明(lm)，类似于发射通量的概念，它是可能引起人眼对整个空间的单位时间内发射的发射通量。但是为了考虑到人眼对不同波长的可见光的感觉是不同的，国际照明委员会(CIE)总结了人眼对不同波长的单色光的敏感度。这是根据视觉条件(亮度为3cd/m2或更高的3dc/m2或更高)的人眼标准光度观测器的光谱光效率函数v()总结的。此时，1W发射通量与图2-2所示的555nm相同，其中v()是暗视觉条件下(亮度为0.001cd/m2或以下)的光谱宽角度效率。图2-2明视和暗视条件下的光谱光效率函数在视觉条件下，光通量的转换表达式可以表示为：(2-1)从暗视觉条件到光通量的转换表达式可以表示为：(2-2)一般测量需要将视觉条件作为测量条件，收集LED发出的光辐射力，线性转换为相应的探测器(包括CIE标准光度测定观测者的光谱光效率函数的光谱响应)，然后通过测量确定测量值20的大小。2.3.2 LED发光强度发光强度的概念要求光源是点光源，或者光源的大小和检测器的面积与光源检测器的距离相比足够小，以iv=d c/d 表示，其中d 是指向一个方向的点光源的三维角度，如图2-3所示。图2-三点光源的发光强度但是，在LED测量的实际应用领域中，在很多情况下，测量距离不够长，光源的大小相对大，或者由LED和探测器表面组成的立体角太大，在这些近场条件下，不太保证距离平方反比的规律，实际发光强度的测量取决于上述几个因素，因此严格地说，无法测量实际LED的发光强度。为了解决此问题，CIE建议使用“平均发光强度”概念，以便能够普遍比较测量结果。即，与LED相距一定距离的光探测器上的光通量v与探测器组成的立体角之比。其中立体角是通过将探测器的面积s除以测量距离d的平方来计算的，如图2-7所示。因此，存在以下表达式：I=(2-3)物理上这里的平均发光强度的概念不再与发光强度的概念紧密相关，不再与光通量的测量和测量机制的设计相关。CIE具有两个建议的LED测量在近距条件下的标准条件：CIE标准条件a和CIE标准条件b。两个条件都要求使用的探测器具有1cm2(对应直径11.3mm)的圆入射光圈21。表2-1 CIE建议的近距标准条件CIE建议LED顶部到探测器的距离d立体角平面角度(全形)标准条件a316mm0.001sr2o标准条件b100mm0.01sr6.5o2.3.3 LED相对光谱能量分布p()发光二极管的相对光谱能量分布p()表示发光二极管的光发射波长范围内各个波长的发射能量分布，通常在实际情况下用相对光谱能量分布表示。表示每个不同颜色LED的相对光谱能量分布曲线，如图2-4所示。一般来说，LED发出的光辐射由多个不同波长的光组成，每个波长的光所占的比例也不同。LED辐射能量根据波长绘制为分布曲线相对光谱能量分布曲线。一旦确定了该曲线，与设备的主波长、纯度等相关的色度学参数也将相应地发生变化。LED的光谱分布与使用的化合物半导体类型、特性和PN结结构(外延层厚度，掺杂杂质)相关，而与设备的几何形状、封装方式无关。图2-4显示了不同化合物半导体和掺杂的LED光谱响应曲线。图2-4指示灯光谱分布曲线其中：1.蓝色InGaN/GaN发光二极管，发射光谱峰值p=460至465纳米2.绿色LED，发射光谱峰值p=550nm3.红色LED，发射光谱峰值p=680 700nm红外线LED，发射光谱峰值p=910nm硅光电二极管2.3.4 LED峰值波长p和频谱半波宽度LED相对光谱能量分布曲线的重要参数用两个参数表示：峰值波长p和光谱半波宽度。任何材料制成的LED，相对光辐射最强的地方都有一个波长，该波长是由半导体的带隙宽度或发光中心的能量准位位置决定的峰值波长。光谱半波光定义为相对光谱能量分布曲线中两个半极值强度下的对应波长差。如图2-5所示，在表示光谱纯度的同时，可用于测量对半导体材料的发光有贡献的能量状态的分散度，LED发光光谱的半宽通常为30-100nm，光谱宽度窄意味着单色优秀，发光颜色清晰明显22。图2-5光谱半波宽度2.4 LED发光器件色度参数的测量相关的色度学参数如下：1.主波长D(Dominant Wavelength):可以将一种颜色视为某种光谱颜色的特定比例，也可以将其视为与一种参考光混合的颜色，例如CIE标准光a、b、c等、能量光e、标准光D65等，此光谱是颜色的主波长。2.CIE光谱3冲量值x、y、z (spectral tristimulus values): x、y、z是颜色的三个冲量值，当三种印刷色与对应颜色匹配时，这些值表示不同的百分比。3.色度坐标x，y，z (chromatic coordinates):三个冲量值中每个冲量值与总和的比率。4.纯度P:采样颜色接近主波长光谱颜色的程度表示采样颜色的纯度。5.色温TC(颜色Temperature):当光源的光辐射表示特定温度下黑体辐射的颜色相同时，黑体的温度(TC)称为光源的色温。在光度测定中，“光”是对可见光的波长在380到780 nm之间的定义。但是在这个区间，不同波长的辐射进入人眼的颜色的感觉不同。例如，波长为700nm的LED辐射产生的感觉是红色的，波长为580nm的LED辐射产生的感觉是黄色的，波长为510nm的LED辐射产生的感觉是绿色的，波长为450nm的LED辐射产生的感觉是蓝色等。表2-2列出了不同色觉的波长范围。因此，LED光源的颜色与进入人眼的光的辐射的相对光谱能量分布有关，进入眼睛的光谱辐射波长发生变化，或者与之相对的光谱能量分布发生变化，照射到人眼的光的颜色感也会相应地发生变化。表2-各种颜色光线的波长颜色波长(nm)表示波长红色(Red)780-630700橙色(Orange)630-600620黄色(Yellow)600-570580绿色(绿色)570-500550青(Cyan)500-470500蓝色(蓝色)470-420470紫罗兰420-3804202.4.1 CIE标准色度系统CIE色度学系统可以根据色光3原色RGB使用光源、对象反射和颜色匹配函数计算x、y、z刺激值，将任何颜色制作成RGB混合，然后通过测量仪器测量光谱发射能量和反射率值来计算XYZ 3刺激值。利用三色学说的原理，任何颜色都可以通过不同的比例混合红、绿、蓝三原色来获得。但是，需要解决的问题(例如，可以使用哪种三原色比例来重现该颜色，此比例是否唯一等)只有在解决了这些问题后，才能提供完整的RGB定义颜色的解决方案。2.4.2颜色匹配实验用视觉调整两种颜色的方法称为颜色匹配，颜色匹配实验是使用颜色渐变进行的。在白色屏幕上方投影红色r、绿色g、蓝色b 3原色光，下面是彩色光c、3原色是白色屏幕的上半部分，彩色光是白色屏幕的下半部分，白色屏幕的上下两部分被黑色屏幕隔开，白色屏幕上反射的光通过孔到达右侧观察者的眼睛内。人眼可见的视野范围大约分为2个。在这个实验装置上，可以进行一系列颜色匹配实验。要着色的光可以通过调节上述三原色的强度形成，当视野中两部分相同时，要着色的光的光颜色被认为与三原色的混合光颜色一致。3印刷色亮度匹配时可表示为颜色方程式的2324:C=(R) (G) (B) (2-4)c表示颜色照明。(r)、(g)、(b)表示创建混合颜色的红、绿、蓝三原色的单位量。匹配配色所需的红色、绿色和蓝色的三原色数称为3刺激值。“=”在视觉上是相等的，即颜色匹配。2.4.3 CIE-RGB谱3刺激值国际照明委员会(CIE)将红色、绿色、蓝色三原色的波长分别设置为700nm、546.1nm、435.8nm和CIE-RGB光谱3刺激值为317名正常视觉者，由CIE确定的红色、绿色、蓝色三原色光，从380nm到780nm1931年，CIE提出了使用标准三原色匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线，如图2-6所示。这些系统称为CIE-RGB系统。图2-6 CIE-RGB频谱3刺激值在上述曲线中，曲线的某些三个冲量值为负值。也就是说，不能混合红、绿、蓝三种光源以匹配这些光源，只能将曲线的负对应印刷色叠加在给定光源上，以匹配其他两种印刷色的混合。公式(2-4)的相应权重可以为负值。实际上，没有负光谱强度，这种计算很不方便，很难理解，如果要查找替代CIE-RGB系统使用的其他印刷色集，那么1931年的CIE-XYZ系统将使用三