LED光电参数定义及其详解

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1、LED光电参数定义及其详解2.1 LED发光原理LED的实质性结构是半导体PN结，核心部分由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在 P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。其发光原理可以用PN结的能带结 构来做解释。制作半导体发光二极管的半导体材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多 迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。在常态下及PN结阻挡层的限制，二者 不能发生自然复合，而当给PN结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒区的自建电场方 向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏了PN结动态平衡，产生少数载流子的电 注入16。空穴从P区注入N区，同样电子从N区注入到P

2、区，注入的少数载流子将同该区的 多数载流子复合，不断的将多余的能量以光的形式辐射出去。2.2可见光谱光是一定波长范围内的一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很广，最短的如宇宙射线，其 波长只有千兆兆分之几米(10-i4-10-i5m)，最长的如交流电，其波长可达数千公里。在电磁辐射 范围内，只有波长为380nm到780nm的电磁辐射能够引起人的视觉，这段波长叫做可见光谱， 如图2-1所示。可见光谱图2-1电磁辐射波谱图2-1中所标数均以基本单位表示，即频率为赫兹(Hz)，波长为米(m)。由于使用上述 单位时，波长的数值太大，有必要使用更小的单位来度量可见光谱的波长，由此采用了标准毫 微米(又称纳米

3、，符号为nm)，此处1nm=10-9m。人眼能起视觉反映的最长和最短波长780nm 和380nm，它们分别处在光谱的红色端与紫色端。在电磁辐射范围内，还有紫外线、x射线、y射线以及红外线、无线电波等。可见光、紫 外线和红外线是原子与分子的发光辐射，称为光学辐射。X射线、y射线等是激发原子内部的 电子所产生的辐射，称为核子辐射。电振动产生的电磁辐射称为无线电波。对于人来说，能为 眼睛感受并产生视觉的光学辐射称为可见辐射；不能为眼睛感受，也不产生视觉的光学辐射称 为不可见辐射。因而，光学辐射可进一步分为可见辐射和不可见辐射。来自外界的可见辐射刺 激人的视觉器官，在脑中产生光、颜色、形状等视觉印象，

4、而获得对外界的认识。不可见辐射 刺激眼睛时不能产生视觉，而作用在皮肤上有时会产生其它感觉，如紫外线产生疼痛感觉，红 外线产生灼热感觉。严格地说，只有那种能够被眼睛感觉到的、并产生视觉现象的辐射才是可 见辐射或可见光，简称光。本文所指的光也就是这个定义上的光。2.3 LED发光器件光度学参数的测量17 1819相关光度学与辐射度学参数有：1. 光通量/Luminous Flux）：通过发光二极管的正向电流为规定值时，器件光学窗口发 射的光通量。2. 发光强度.（Luminous Intensity）:光源在单位立体角内发射的光通量，可表示为 IV=dO/dQo3. 相对光谱能量（功率）分布P（九

5、（Relative Spectral Distributions）：在光辐射波长范围内， 各个波长的辐射能量分布情况。4. 峰值发射波长九p（Peak-emission Wavelength）：光谱辐射功率最大的值所对应的波长。5. 光谱半波宽A九（Full Width Half Maximum，FWHM）：峰值发射波长的辐射功率的1/2所 对应两波长的间隔。2.3.1 LED光通量在辐射度学上，LED辐射通量E用来衡量发光二极管在单位时间内发射的总的电磁功 率，单位是W（瓦）。它通常表示LED在空间4n度范围内，每秒钟所发出的功率。LED光源发 射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通

6、量V，单位是流明（lm），与辐射通量的 概念类似，它是LED光源向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。但要 考虑人眼对不同波长的可见光的光感觉是不同的，国际照明委员会（CIE）为人眼对不同波长单 色光的灵敏度作了总结，在明视觉条件（亮度为3cd/m2以上）下，归结出人眼标准光度观测者光 谱光效率函数V（九），它在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图2-2所示， 其中V（九）为暗视觉条件（亮度为0.001cd/m2以下）下的光谱光视效率。图2-2明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数明视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为：780380(九)V (九

7、)dXE(2-1)暗视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为:=1700 i 780(X)V(X)dX(2-2)V380 E通常的测量以明视觉条件作为测量条件，并且在LED的测量时，为了得到准确的测量结 果,必须把LED发射的光辐射功率收集起来，并用合适的探测器(应具有CIE标准光度观测者 光谱光效率函数的光谱响应)将它线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。2.3.2 LED发光强度口发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测 器的距离相比足够小，表示为IV =dOC/dQ，式中dQ是点光源在某一方向上所张的立体角元如 图2-3所示。14嚥

8、辐点光源的发光强度强度但是在LED测量的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大或者是LED与探测器表面构成的立体角太大，在这种近场条件下，并不能很地保证距离平方 反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，从而严格地说并不能测量得 到真正的LED的发光强度。为了解决这个问题，使量测结果可通用比较，CIE推荐使用“平均发光强度”概念：照射在 离LED 一定距离处的光探测器上的光通量V与由探测器构成的立体角的比值。其中立体角 可将探测器的面积S除以测量距离d的平方计算得到，如图2-7所示。因而有如下表达式：1= 二二(2-3)0S d2从物理上看，这里的平均发光

9、强度的概念，不再与发光强度的概念关联得那么紧密，而更 多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。CIE关于近场条件下的LED测量，有两个推荐 的标准条件：CIE标准条件A和CIE标准条件B。这两个条件都要求，所用的探测器有一个 面积为lcm2(相应直径为11.3mm)的圆入射孔径21。表2-1 CIE推荐的近场标准条件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A316mm0.001sr2。标准条件B100mm0.01sr6.5。2.3.3 LED相对光谱能量分布P(x )发光二极管的相对光谱能量分布P(x )表示在发光二极管的光辐射波长范围内，各个波长 的辐射能量分布情况，

10、通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示。如图2-4所示，表示各 个不同颜色LED的相对光谱能量分布曲线。一般而言，LED发出的光辐射，往往由许多不同 波长的光所组成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同。LED辐射能量随着波长变化 而不同，绘成一条分布曲线相对光谱能量分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波 长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性 质及PN结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。图 2-4绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。1.0-0.8人眼 感光0.6-丨:异1 ; :八;/

11、 丨：-/ iI曰工 3CU -U0 dOC 6工 /CL AD3 口兀 丁兀一FT1图2-4 LED光谱分布曲线其中:1. 蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰九p=460465nm2. 绿色LED,发光谱峰九p=550nm3. 红色的LED,发光谱峰九p=680700nm4. 红外LED,发光谱峰九p=910nm5硅光电二极管2.3.4 LED的峰值波长九p和光谱半波宽A九LED相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长九p和光谱半波宽A九这两个参数表示。 无论什么材料制成的LED,都有一个相对光辐射最强处，与之相对应有一个波长，此波长为 峰值波长，它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的

12、能级位置决定。光谱半波宽A九定义为相 对光谱能量分布曲线上，两个半极大值强度处对应的波长差，如图2-5所示，它标志着光谱纯 度，同时也可以用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散度，LED的发光光谱的 半宽度一般为30100nm，光谱宽度窄意味着单色性好，发光颜色鲜明，清晰可见辺。戒惭渎諒W戒 nu 5图2-5光谱半波宽A九2.4 LED发光器件色度学参数的测量相关色度学参数有：1. 主波长九D(Dominant Wavelength)：任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定 比例与一个参照光源(如CIE标准光源A、B、C等，能光源E,标准照明体D65等)相混合 而匹配出来的颜色，

13、这个光谱色就是颜色的主波长。2. CIE 光谱三刺激值 X、Y、Z(Spectral Tristimulus Values): X、Y、Z 为颜色的三刺激值, 它们的数值表示了三原色匹配该颜色时相互之间的比例。3. 色度坐标x、y、z(Chromaticity Coordinates)：三刺激值中的每一刺激值与其总和之比。4. 纯度P(Purity)：样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示该样品颜色的纯度。5. 色温TC(Color Temperature):光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜 色相同时，称黑体的温度(TC)为光源的色温度。在光度学中对于“光”的定义，是相对于可见

14、光而言，它所具有的波长范围在380780nm 之间。但是，这区间中，不同波长的辐射进入人眼的颜色感受不同，例如，波长为700nm的 LED辐射所引起的感觉是红色，波长为580nm的LED辐射引起的感觉是黄色，波长为510nm 的LED辐射引起的感觉是绿色，波长为450nm的LED辐射引起的感觉是蓝色等等，表2-2 列出了不同色觉的波长范围。所以，LED光的颜色与进入人眼的光辐射的相对光谱能量分布 有关，当进入到眼睛的光谱辐射波长发生改变或者它们的相对光谱能量分布发生改变时，人 眼对光的颜色感受也随着发生变化。表2-2各种颜色光线的波长光色波长九(nm)代表波长红(Red)780630700橙（

15、 Orange）630600620黄（Yellow）600570580绿（Green）570500550青（Cyan）500470500蓝（Blue）470420470紫（Violet）4203804202.4.1 CIE标准色度学系统CIE色度学系统是以色光三原色RGB为准，以光源、物体反射和配色函数计算出X、Y、 Z刺激值，任何色彩都可以由RGB混色而成，再经过仪器测出光谱辐射能量和反射率值，即 可计算出XYZ三刺激值。由三色学说的原理，任何一种颜色可以通过红、绿、蓝三原色按照 不同比例混合来得到。可是，给定一种颜色，采用怎样的三原色比例才可以复现出该色，以及 这种比例是否唯一，是需要解决的问题，只有解决了这些问题，才能给出一个完整的用RGB 来定义颜色的方案。2.4.2颜色匹配实验把两个颜色调整到视觉相同的方法叫颜色匹配，颜色匹配实验是利用色光加色来实现的。 在一块白色屏幕上，上方投射红R、绿G、蓝B三原色光，下方为待配色光C，三原色光照射 白屏幕的上半部，待配色光照射白屏幕的下半部，白屏幕上下两部分用一个黑挡屏隔开，由白 屏幕反射出来的光通过小孔抵达右方观察