LED相关基础知识

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佛山市国星光电股份有限公司光电子工程技术研究开发中心2011年5月9日目录辐射度学光度学色度学PN结及LED发光原理LED参数5.1I-V曲线

5.2电学参数

5.3光谱曲线

5.4光度学参数5.5热学参数

5.6其它参数可见光辐射度学、光度学和色度学的关系

光度学色度学

辐射度

学颜色辐射度学：对电磁辐射能量的研究及计量的学科。光度学：在可见光波段内，考虑人

眼主观因素后的相应计量学科。色度学：研究颜色理论及人眼对颜

色感觉规律的学科。小贴士：电磁波波长1nm～1mm；可见光波长380nm～780nm。各度量对应关系辐射度学量光度学量色度学量量公式单位量公式单位量符号单位辐射量UJ光能Qlm·S主波长λdnm辐射通量(功率)PW光通量Flm色度坐标X,Y/辐射强度JW/sr发光强度Icd色温TcK辐射照度HW/m2照度Elux显色指数Ra/辐射亮度RθW(m·Sr)亮度Bθnit峰值波长λpnm在各个辐射度量乘上一个与视觉有关的比例系数——视敏度Kλ即可得到各个光度量，如：下文主要讲解各个度量的定义及计量方法。表

各量列表1.黑体辐射1.1黑体

能够全部吸收入射的任何频率的电磁波的理想物体。1.2黑体辐射任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，这种能量的传递过程就称为黑体辐射。1.3辐射度量

用于评估价黑体的辐射，有辐射能量、辐射通量、辐射强度、辐射亮度、辐射照度。2.光度学2.1光源能量的辐射分布光源的总辐射能量是各种波长能量之和，波长不同，能量也不同。其光普涉及紫外光到红外光整个范围，与人眼对亮度和颜色的灵敏度无关。2.2视敏函数人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度，通常我们用辐射功率的倒数来衡量人眼对波长λ光的敏感程度，称之为视敏函数，即：(2-1)(2-2)2.3视见函数通觉人眼只能感受到从(380～780)nm范围的可见光，而且在可见光中对各种波长的光的响应程度也是不同的。我们把人眼响应随波长而变化的函数关系称为视见函数，用V(λ)表示。2.4相对视见函数

任意波长λ光的视敏函数与最大视敏函数的比值称为相对视敏函数。在明亮条件下，人眼对555nm黄绿光有最高灵敏度，

V(λ)=K(λ)/K(555)=P(555)/P(λ)在暗视觉条件下，人眼对507nm青偏绿光有最高灵敏度，

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

2.5光度量

对于可见光的辐射通常采用光度学的量来描述，辐射度量仅与客观条件有关，而光度量还与人眼有视见度有关，它是一种生物物理量。

辐射度量的各个量乘以一个与视觉有关的系数—视敏度Kλ就可以得到光度学的各个量。相对可见度00.20.40.60.81400500600700λ/nm图2-1：相对视敏曲线507555暗视觉明视觉2.5.1光能Qλ

人眼能感觉到那部分辐射能量Uλ

，单位lm·S。2.5.2光通量辐射体单位时间内所辐射的能量并为人眼所感觉的那部分称为光通量Fλ,它表示单位时间内流出光能的大小,单位流明(lm)。式中，Kλ表示波长为λ的辐射通量每瓦可以产生多少流明的光通量，即同一波长下所测得的光通量与辐射通量之比。Km=680lm/W表示人的日间视觉在550nm处能将1W功率转变成680lm的光能。

(2-5)(2-6)各波长发出的总光通则为：2.5.3光强Iv光源在单位立体角内所发出的光通量称为光强Iv，单位坎德拉(cd)，1cd=1000mcd(毫坎德拉)。如点光源在单位立体角内所发出的光强是各向相同，则光通量为：(2-7)dωdσNVθc(2-9)图2-2：光源发光(2-8)立体角ω立体角dω是指以物体(点光源)为项点的一个封闭锥体的锥角，其大小等于锥体底面积dσ与锥体的斜边边长r的平方之比，即：2.5.4亮度B发光体之表面dσ在与其法向成θ角的方向上的亮度Bθ，即：单位：尼特(nit)或坎德拉开每平方(cd/m2)。dωdσc图2-3：立体角示意图(2-10)(2-11)2.5.5照度E照度E表示被照明物体的单位面积dσ所接受的总光通量，单位勒克斯(LUX)或流明每平方(lm/m2)：照度与光强的关系：当θ=90℃时为法向光强，此时：(2-12)(2-13)(2-14)3.色度学3.1三基色原理三基色理论认为，人眼视网膜中有三种不同感色的细胞。每种细胞的响应分别对应于特定波长的蓝光、绿光和红光。这三种感色物质在响应中出现大量的重叠信息，而且都通过神经与大脑沟通。色觉就是这三种感色物质有关刺激传到大脑，经大脑分析后得到的。人们所感觉到的彩色都是由于这些不同程度的刺激所合成的。也就是说，任何颜色的光都是由上述三种基色合成的确，如红+蓝+绿=白，红+蓝=紫，红+绿=黄，蓝+绿=青，用R，G，B来表示三基色，则任何颜色C可表示为：(3-1)

X、Y、Z就是某一颜色C的3个分量，采用归一化消去其中一个非独立变量而引入2个新变量：

只要确定x和y值，z即可由式(3-3)求得，因此颜色可以按照图(2-2)所示的二维图形的某一点确定，其中x和y都是从0到1。这就是国际标准照明委员会1931年提出的色度图，又称舌形图。(3-2)(3-3)图3-1：CIE-1931色度图图3-2：CIE-1931色度图x、y、z称三色系数，X、Y、Z称为三色视觉值。国际照明协会还给出了各种单色光的视觉值表，可以通过(3-2)公式计算出三色系数。自然界中的任何一种颜色均存在于色度图中，色度图以外的点均为不存在的颜色。波长XYZ波长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部份单色三色视觉值x、y的缺陷—均匀色度标尺

后来研究发现使用(X，Y)图进行颜色辨别工作有严重缺陷。最小可辨色差的大小，随其在图上的位置和产生色差的方向变化而不同，椭圆(麦克亚当椭圆)表示离开中心点的任何方向上的等色差。这说明(X，Y)图是不均匀的，也就是说在X，Y上有相等的距离并不意味着在视觉上有相同的色差。于是国照明委员会分别在1960年和1976年提出了不起新的变换式以改善这种现象。(3-4)(3-5)CIE-1960CIE-19763.2色度学3.2.1白光定义白光是红、绿、蓝三种颜色光的均匀混合而成，其x，y值分别为1/3，1/3，在色度图中用W(1/3，1/3)点表示。由于互补色的定义是它们之和组成白光，故通过W点而与舌形轨迹线相交的λ1λ2两点所代表的颜色便是互补色。图3-3：CIE-1931色度图中的麦克亚当椭圆图3-4：CIE-1976色度图中的麦克亚当椭圆3.2.2主波长和纯度主波长和纯度是描述颜色的色调和饱和度，在色度图中可以由波长和纯度确定颜色。色调是表示颜色相互区分的属性，而饱和度是指颜色的纯度。用F表示光源在色度图中的位置，选定白光W作照明光源，光源F的纯度定义为，自W向F作一直线，与单色光轴相交于G，距离WF占总长WG的百分数即为F的纯度：图中F点的纯度为75%，G点纯度为100%。G点处光谱轨迹上的波长即为光源F的主波长λd。如G点落于PQ上（如图H光源），主波长用补偿波长来代表，补偿波长下以注脚“C”表示。如图H光源的主波长即为502Cnm。(3-6)3.3.3色温和相关色温光源的光辐射所呈现的颜色与某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度TC为光源的色温(光源在黑体线上），用绝对温度K(K=t+273.16℃)。当光源新发出的光的颜色在某一温度辐射的颜色接近时(光源在黑体线附近)，黑体温度就称为该光源的相关色温。在色度图中根据黑体辐射的光谱功率分布曲线计算出的色坐标画出，就构成了一条称为完全辐射体色度轨迹光滑曲线(黑体轨迹)。在实际应用中，有时为方便起见，采用色温K来表示颜色，显然，这是一种近似的表示方法。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绝对黑体的坐标色温颜色气氛效果1000K冷白清凉(偏蓝的白色)冷的气氛6000K正白4000K中性白中间(白色)爽快的气氛3000K暧白温暧(偏红的白色)稳重的气氛

光

源

色

温(K)

光

源

色

温(K)

北方晴空8000～8500

高压汞灯3450～3750

阴

天6500～7500

暧色荧光灯2500～3000夏日正午阳光5500

卤

素

灯3000金属卤化物灯4000～4600

钨

丝

灯2700

下午日光4000

高压纳灯1950～2250冷色荧光灯4000～5000

LED灯

全系列表3-3光色效果表3-4光源与色温3.3.4显色指数Ra灯光下所显示的颜色与阳光下的颜色相比较之数值，是表明光源发射的光对被照物颜色正确反映的量。Ra是光源对8个色样显色指数的算术平均值：(3-7)图3-3：物体在不同Ra下的颜色4.LED发光原理4.1半导体的载流子——电子和空穴半导体是以共价键结合形成的晶体，各原子共用其外层电子。当一个电子受激发成为自由电子时，共有电子出现一个空缺，这个空缺称为穴。在半导体内起导电作用的电子和空穴统称为载流子。纯净的半导体称为本征半导体。4.2N型和P型半导体

在4价硅晶体中掺入5价磷，多出一个价电子，形成N型半导体。

在4价硅晶体中掺入3价硼，缺少一个价电子（多出一个空穴），形成P型半导体。4.3PN结将半导体的一部份做成P型，另一部份做成N型，P型和N型界面及其相邻的部位称为PN结。4.4LED的发光原理当给某些半导体的PN结通电时，空穴和电子在外电场的作用下复合，复合产生的多余的能量以光子的形式向外发射。

LED的发光波长主要取决了禁带宽度Eg，如下：(4-1)P电极ITOP-GaNn-GaNN电极GaN蓝宝石P电极P-GaAsn-GaAsInAlGaP空穴+电子复合光子P区N区InGaN/GaNMQW图4-1：LED发光原理图4-2：四元红橙黄芯片N接触图4-3：GaN基蓝绿芯片5.LED特性参数评价LED性能指标的特性参数如下：电学参数光学参数热学参数特性曲线名称符号单位名称符号单位名称符号单位伏安特性曲线正向电流IFmA主波长λdnm热阻Rθ℃/W光谱特性曲线正向电压VFV峰值波长λpnm结温T℃温度特性曲线反向漏电IRmA半波宽度Δλnm反向电压VRV发光角度2θ1/2℃功率PW色度坐标X,Y/极限功率PmaxmW显色指数Ra/表5-1LED特性参数5.1LED伏安特性曲线I-V特性曲线：令，VT为温度电压当量，常温下，VT=26mV。式中q为电子电荷电，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，I0为反向饱和电流（又称起始电流）。在LEDPN结上加反向电压，在较低时，流过PN结的电流很微弱，几乎为零（一般为零点零几微安），这时流过PN结的电流称为反向饱和电流。(5-1)图5-1：LED伏安特性曲线5.2电学参数正向电流IF通过LED两端的电流，一般小功率IF=20mA，大功率IF=350mA；正向电压VF通过LED的正向电流IF为确定值时，在两极间产生的电压降。一般蓝绿VF=3.0V@20mA，黄橙红VF=2.0@20mA；反向漏电IR

加在LED两端的反向电压VF为确定值时，流过LED的电流。一般IR﹤10μA@5V；反向电压VR

通过的反向电流为IR确定值时，在两极间所产生的电压降。

功率P

LED功耗，电流与电压的乘积，，小功率一般为(40～60)mW,大功率有0.5W，1W。5.3光谱曲线光谱分布曲线Pλ是指发光的相对强度(能量)随波长变化的分布曲线。发光器件在λ1

～λ2波长

范围内的Pλ可表示为：峰值波长λP光谱辐射功率最大的波长。半波宽度Δλ光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔。图5-2：光谱曲线图(5-2)5.4光学参数法向光强IV

LED法线方向的光强，测试时，对光度探测器来说，LED应能看成点光源，所以根据LED的大小，测试条件有A和B之分，通常采取B条件。发光角度(半角值2θ1/2)在发光强度分布图形中，

光强等于最大强度一半

构成的角度。CIE推荐LED顶端到探测器的距离d立体角平面角(全角)标准条件A316mm0.001sr20标准条件B100mm0.01sr6.50表5-2CIE推荐的标准条件A和B主波长λd

单色光通常用主波长来确定颜色，颜色的主波长相当于人眼观察到的颜色的色调，是个心理量。色度坐标

白光通常用色度坐标(X，Y)来表示其在色度图中的位置。光通量Φv

光通量的测试可用积分法求得，有光强积分法和照度积分法。光强积分法：式中，是被测光源在空间方向上的光强。照度积分法：式中E为包围被测光源产品的虚拟球表面S的照度。(5-3)(5-4)5.5热学参数LED结温Tj

当电流流过LED的PN结时，PN结的温度将上升，结区的温度则称为LED的结温。因为芯片较小，常常把LED芯片的温度看作是结温。LED芯片的最高工作结温一般为120℃。热阻Rθ两个节点间单位热功率运输所产生的温度差，即：单位℃/W或K/W结到管脚管的热阻用Rthj-s表示，结到基板的热阻用Rthj-b表示。对不同的器件，Rthj-s和Rthj-b有差异，但差异不大。LED热阻，一般小功率的为200℃/W，大功率为10℃/W。(5-5)JSb导热系数λ导热