LED光電參數(shù)定義及其詳解教案資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED光電參數(shù)定義及其詳解-LED光電參數(shù)定義及其詳解2.1LED發(fā)光原理LED的實質(zhì)性結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，核心部分由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)。其發(fā)光原理可以用PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來做解釋。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。在常態(tài)下及PN結(jié)阻擋層的限制，二者不能發(fā)生自然復(fù)合，而當給PN結(jié)加以正向電壓時，由于外加電場方向與勢壘區(qū)的自建電場方向相反，因此勢壘高度降低，勢

2、壘區(qū)寬度變窄，破壞了PN結(jié)動態(tài)平衡，產(chǎn)生少數(shù)載流子的電注入16?？昭◤腜區(qū)注入N區(qū)，同樣電子從N區(qū)注入到P區(qū)，注入的少數(shù)載流子將同該區(qū)的多數(shù)載流子復(fù)合，不斷的將多余的能量以光的形式輻射出去。2.2可見光譜光是一定波長范圍內(nèi)的一種電磁輻射。電磁輻射的波長范圍很廣，最短的如宇宙射線，其波長只有千兆兆分之幾米(10-14-10-15m)，最長的如交流電，其波長可達數(shù)千公里。在電磁輻射范圍內(nèi)，只有波長為380nm到780nm的電磁輻射能夠引起人的視覺，這段波長叫做可見光譜，如圖2-1所示。圖2-1電磁輻射波譜圖2-1中所標數(shù)均以基本單位表示，即頻率為赫茲(Hz)，波長為米(m)。由于使用上述單位時，波

3、長的數(shù)值太大，有必要使用更小的單位來度量可見光譜的波長，由此采用了標準毫微米(又稱納米，符號為nm)，此處1nm=10-9m。人眼能起視覺反映的最長和最短波長780nm和380nm，它們分別處在光譜的紅色端與紫色端。在電磁輻射范圍內(nèi)，還有紫外線、x射線、射線以及紅外線、無線電波等?？梢姽狻⒆贤饩€和紅外線是原子與分子的發(fā)光輻射，稱為光學(xué)輻射。X射線、射線等是激發(fā)原子內(nèi)部的電子所產(chǎn)生的輻射，稱為核子輻射。電振動產(chǎn)生的電磁輻射稱為無線電波。對于人來說，能為眼睛感受并產(chǎn)生視覺的光學(xué)輻射稱為可見輻射；不能為眼睛感受，也不產(chǎn)生視覺的光學(xué)輻射稱為不可見輻射。因而，光學(xué)輻射可進一步分為可見輻射和不可見輻射。來

4、自外界的可見輻射刺激人的視覺器官，在腦中產(chǎn)生光、顏色、形狀等視覺印象，而獲得對外界的認識。不可見輻射刺激眼睛時不能產(chǎn)生視覺，而作用在皮膚上有時會產(chǎn)生其它感覺，如紫外線產(chǎn)生疼痛感覺，紅外線產(chǎn)生灼熱感覺。嚴格地說，只有那種能夠被眼睛感覺到的、并產(chǎn)生視覺現(xiàn)象的輻射才是可見輻射或可見光，簡稱光。本文所指的光也就是這個定義上的光。2.3LED發(fā)光器件光度學(xué)參數(shù)的測量171819相關(guān)光度學(xué)與輻射度學(xué)參數(shù)有：1.光通量v(LuminousFlux)：通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時，器件光學(xué)窗口發(fā)射的光通量。2.發(fā)光強度Iv(LuminousIntensity)：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，可表示為I

5、V=d/d。3.相對光譜能量(功率)分布P()(RelativeSpectralDistributions)：在光輻射波長范圍內(nèi)，各個波長的輻射能量分布情況。4.峰值發(fā)射波長p(Peak-emissionWavelength)：光譜輻射功率最大的值所對應(yīng)的波長。5.光譜半波寬(FullWidthHalfMaximum，F(xiàn)WHM)：峰值發(fā)射波長的輻射功率的1/2所對應(yīng)兩波長的間隔。2.3.1LED光通量在輻射度學(xué)上，LED輻射通量E用來衡量發(fā)光二極管在單位時間內(nèi)發(fā)射的總的電磁功率，單位是W(瓦)。它通常表示LED在空間4度范圍內(nèi)，每秒鐘所發(fā)出的功率。LED光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼視覺的那部

6、分，稱為光通量V，單位是流明(lm)，與輻射通量的概念類似，它是LED光源向整個空間在單位時間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量。但要考慮人眼對不同波長的可見光的光感覺是不同的，國際照明委員會(CIE)為人眼對不同波長單色光的靈敏度作了總結(jié)，在明視覺條件(亮度為3cd/m2以上)下，歸結(jié)出人眼標準光度觀測者光譜光效率函數(shù)V()，它在555nm上有最大值，此時1W輻射通量等于683lm，如圖2-2所示，其中V()為暗視覺條件(亮度為0.001cd/m2以下)下的光譜光視效率。圖2-2明視覺和暗視覺條件下的光譜光效率函數(shù)明視覺條件下，輻射量向光通量的轉(zhuǎn)化表達式可以表示為：（2-1）暗視覺條件下，輻射

7、量向光通量的轉(zhuǎn)化表達式可以表示為：（2-2）通常的測量以明視覺條件作為測量條件，并且在LED的測量時，為了得到準確的測量結(jié)果，必須把LED發(fā)射的光輻射功率收集起來，并用合適的探測器(應(yīng)具有CIE標準光度觀測者光譜光效率函數(shù)的光譜響應(yīng))將它線性地轉(zhuǎn)換成光電流，再通過定標確定被測量的大小20。2.3.2LED發(fā)光強度發(fā)光強度的概念要求光源是一個點光源，或者要求光源的尺寸和探測器的面積與離光探測器的距離相比足夠小，表示為IV=dC/d，式中d是點光源在某一方向上所張的立體角元如圖2-3所示。圖2-3點光源的發(fā)光強度但是在LED測量的許多實際應(yīng)用場合中，往往是測量距離不夠長，光源的尺寸相對太大或者是L

8、ED與探測器表面構(gòu)成的立體角太大，在這種近場條件下，并不能很地保證距離平方反比定律，實際發(fā)光強度的測量值隨上述幾個因素的不同而不同，從而嚴格地說并不能測量得到真正的LED的發(fā)光強度。為了解決這個問題，使量測結(jié)果可通用比較，CIE推薦使用“平均發(fā)光強度”概念：照射在離LED一定距離處的光探測器上的光通量V與由探測器構(gòu)成的立體角的比值。其中立體角可將探測器的面積S除以測量距離d的平方計算得到，如圖2-7所示。因而有如下表達式：I（2-3）從物理上看，這里的平均發(fā)光強度的概念，不再與發(fā)光強度的概念關(guān)聯(lián)得那么緊密，而更多地與光通量的測量和測量機構(gòu)的設(shè)計有關(guān)。CIE關(guān)于近場條件下的LED測量，有兩個推薦

9、的標準條件：CIE標準條件A和CIE標準條件B。這兩個條件都要求，所用的探測器有一個面積為1cm2(相應(yīng)直徑為11.3mm)的圓入射孔徑21。表2-1CIE推薦的近場標準條件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A316mm0.001sr2o標準條件B100mm0.01sr6.5o2.3.3LED相對光譜能量分布P()發(fā)光二極管的相對光譜能量分布P()表示在發(fā)光二極管的光輻射波長范圍內(nèi)，各個波長的輻射能量分布情況，通常在實際場合中用相對光譜能量分布來表示。如圖2-4所示，表示各個不同顏色LED的相對光譜能量分布曲線。一般而言，LED發(fā)出的光輻射，往往由許多不同波長的光

10、所組成，而且不同波長的光在其中所占的比例也不同。LED輻射能量隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線相對光譜能量分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及PN結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。圖2-4繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED光譜響應(yīng)曲線。圖2-4LED光譜分布曲線其中：1.藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰p=460465nm2.綠色LED，發(fā)光譜峰p=550nm3.紅色的LED，發(fā)光譜峰p=680700nm4.紅外LED，發(fā)光譜峰p=910nm5

11、.硅光電二極管2.3.4LED的峰值波長p和光譜半波寬LED相對光譜能量分布曲線的重要參數(shù)用峰值波長p和光譜半波寬這兩個參數(shù)表示。無論什么材料制成的LED，都有一個相對光輻射最強處，與之相對應(yīng)有一個波長，此波長為峰值波長，它由半導(dǎo)體材料的帶隙寬度或發(fā)光中心的能級位置決定。光譜半波寬定義為相對光譜能量分布曲線上，兩個半極大值強度處對應(yīng)的波長差，如圖2-5所示，它標志著光譜純度，同時也可以用來衡量半導(dǎo)體材料中對發(fā)光有貢獻的能量狀態(tài)離散度，LED的發(fā)光光譜的半寬度一般為30100nm，光譜寬度窄意味著單色性好，發(fā)光顏色鮮明，清晰可見22。圖2-5光譜半波寬2.4LED發(fā)光器件色度學(xué)參數(shù)的測量相關(guān)色度

12、學(xué)參數(shù)有：1.主波長D(DominantWavelength)：任何一個顏色都可以看作為用某一個光譜色按一定比例與一個參照光源（如CIE標準光源A、B、C等，能光源E，標準照明體D65等）相混合而匹配出來的顏色，這個光譜色就是顏色的主波長。2.CIE光譜三刺激值X、Y、Z(SpectralTristimulusValues)：X、Y、Z為顏色的三刺激值，它們的數(shù)值表示了三原色匹配該顏色時相互之間的比例。3.色度坐標x、y、z（ChromaticityCoordinates）：三刺激值中的每一刺激值與其總和之比。4.純度P(Purity)：樣品顏色接近主波長光譜色的程度就表示該樣品顏色的純度。5

13、.色溫TC(ColorTemperature)：光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。在光度學(xué)中對于“光”的定義，是相對于可見光而言，它所具有的波長范圍在380780nm之間。但是，這區(qū)間中，不同波長的輻射進入人眼的顏色感受不同，例如，波長為700nm的LED輻射所引起的感覺是紅色，波長為580nm的LED輻射引起的感覺是黃色，波長為510nm的LED輻射引起的感覺是綠色，波長為450nm的LED輻射引起的感覺是藍色等等，表2-2列出了不同色覺的波長范圍。所以，LED光的顏色與進入人眼的光輻射的相對光譜能量分布有關(guān)，當進入到眼睛的光譜輻

14、射波長發(fā)生改變或者它們的相對光譜能量分布發(fā)生改變時，人眼對光的顏色感受也隨著發(fā)生變化。表2-2各種顏色光線的波長光色波長（nm)代表波長紅（Red）780630700橙（Orange）630600620黃（Yellow）600570580綠（Green）570500550青（Cyan）500470500藍（Blue）470420470紫（Violet）4203804202.4.1CIE標準色度學(xué)系統(tǒng)CIE色度學(xué)系統(tǒng)是以色光三原色RGB為準，以光源、物體反射和配色函數(shù)計算出X、Y、Z刺激值，任何色彩都可以由RGB混色而成，再經(jīng)過儀器測出光譜輻射能量和反射率值，即可計算出XYZ三刺激值。由三色學(xué)說

15、的原理，任何一種顏色可以通過紅、綠、藍三原色按照不同比例混合來得到?？墒?，給定一種顏色，采用怎樣的三原色比例才可以復(fù)現(xiàn)出該色，以及這種比例是否唯一，是需要解決的問題，只有解決了這些問題，才能給出一個完整的用RGB來定義顏色的方案。2.4.2顏色匹配實驗把兩個顏色調(diào)整到視覺相同的方法叫顏色匹配，顏色匹配實驗是利用色光加色來實現(xiàn)的。在一塊白色屏幕上，上方投射紅R、綠G、藍B三原色光，下方為待配色光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，白屏幕上下兩部分用一個黑擋屏隔開，由白屏幕反射出來的光通過小孔抵達右方觀察者的眼內(nèi)。人眼看到的視場范圍在2左右，被分成兩部分。在此實驗裝置上可以

16、進行一系列的顏色匹配實驗。待配色光可以通過調(diào)節(jié)上方三原色的強度來混合形成，當視場中的兩部分色光相同時，此時認為待配色光的光色與三原色光的混合光色達到色匹配。不同的待配色光達到匹配時三原色光亮度不同，可用顏色方程表示2324：C=(R)+(G)+(B)（2-4）式中C表示待配色光；(R)、(G)、(B)代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍三原色的單位量；、分別為匹配待配色所需要的紅、綠、藍三原色的數(shù)量，稱為三刺激值；“”表示視覺上相等，即顏色匹配。2.4.3CIE-RGB光譜三刺激值國際照明委員會（CIE）規(guī)定紅、綠、藍三原色的波長分別為700nm、546.1nm、435.8nm，CIE-RGB光譜三刺激

17、值是317位正常視覺者，用CIE規(guī)定的紅、綠、藍三原色光，對等能光譜色從380nm到780nm所進行的專門性顏色混合匹配實驗得到的。1931年，CIE給出了用等能標準三原色來匹配任意顏色的光譜三刺激值曲線，如圖2-6所示，這樣的一個系統(tǒng)被稱為CIE-RGB系統(tǒng)。圖2-6CIE-RGB光譜三刺激值在上面的曲線中，曲線的一部分三刺激值是負數(shù)，這表明不可能靠混合紅、綠、藍三種光來匹配對應(yīng)的光，而只能在給定的光上疊加曲線中負值對應(yīng)的原色，來匹配另兩種原色的混合。對應(yīng)于在公式（2-4）中的權(quán)值會有負值，由于實際上不存在負的光譜強度，而且這種計算極不方便，不易理解，人們希望找出另外一組原色，用于代替CIE

18、-RGB系統(tǒng)，因此，1931年的CIE-XYZ系統(tǒng)利用三種假想的標準原色X（紅）、Y（綠）、Z（藍），以便使我們能夠得到的顏色匹配函數(shù)的三刺激值都是正值。2.4.41931CIE-XYZ系統(tǒng)根據(jù)CIE推薦的紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色的波長為700nm、546.1nm、435.8nm，它們在1931CIERGB系統(tǒng)和1931CIEXYZ系統(tǒng)的坐標為：RGB系統(tǒng)色度坐標XYZ系統(tǒng)色度坐標rgbxyz(R)1，0，00.7347，0.2653，0.0000(G)0，1，00.2737，0.7174，0.0089(B)0，0，10.1665，0.0089，0.8246對于光譜波長為的顏色刺激，

19、其r()、g()、b()色度坐標對x()、y()、z()色度坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：x()y()=（2-5）z()=用上式計算出1931CIERGB系統(tǒng)中各波長的光譜在1931CIEXYZ系統(tǒng)中的相應(yīng)的色度坐標，并將各波長的普線的坐標點連接起來就成為1931CIEXYZ系統(tǒng)色度圖，如圖2-7所示。圖2-71931CIEXYZ系統(tǒng)色度圖在求得個光譜波長的x()、y()、z()的基礎(chǔ)上，應(yīng)用公式（2-6）可以計算出1931CIEXYZ色度系統(tǒng)中的光譜三刺激值、為（2-6）1由1931CIERGB系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到的、三條曲線稱為“1931CIEXYZ標準色度觀察者光譜三刺激值”，如圖2-8所示，這組曲線分別代

20、表匹配各波長等能光譜刺激所需要的紅(X)、綠(Y)、藍(Z)三原色的量。國際照明委員會規(guī)定1931CIEXYZ系統(tǒng)的與人眼的光譜光效率函數(shù)V()一致，即所以，有:V()（2-7）V()V()圖2-81931CIEXYZ標準色度觀察者光譜三刺激值2.4.5CIE色度坐標及主波長計算方法要確定LED器件的發(fā)光顏色，可以用顏色的色度坐標及其主波長來描述。顏色感覺是由于LED光輻射源的光輻射作用于人眼的結(jié)果。因此，顏色不僅取決于光刺激，而且還取決于人眼的視覺特性，根據(jù)前面的論述，V()，如果已知器件的相對光譜能量P()分布函數(shù)，根據(jù)CIE的規(guī)定，那么由它引起的CIE三刺激值X、Y、Z可以按下式計算，K

21、為調(diào)整因數(shù)X=K（2-8）Y=KZ=K在實際計算色度坐標X、Y、Z時，常用求和來代替式（2-8）的積分式：XK（2-9）YKZK式（2-8）和式（2-9）中的X、Y、Z即為1931CIE色度系統(tǒng)中的三刺激值。由式（2-8）和式（2-9）計算得到X、Y、Z三刺激值后可求得LED發(fā)光器件的色度坐標為：（2-10）x=y=得到LED發(fā)光器件的色度坐標，該發(fā)光體顏色的主波長不難獲得。為了說明“主波長”的概念，從前面的定義得知，需要一個參照照明體。如圖2-9，在色度圖中心的WE點代表等能白光，它由三原色的各三分之一單位混合而成的，其色度坐標為：XE0.3333，YE0.3333，ZE0.3333，可以把

22、它當做參照照明體。S1代表某一實際顏色，連接WE和S1并延長與光譜軌跡線相交于d點，則d為S1的主波長25。根據(jù)加混色定律，S1可以用WE和光譜波長為d的光譜色相混合而獲得。圖2-9CIE1931色度圖在圖2-9中d565nm，稱565nm為顏色S1以WE為參照照明體的主波長。由于選擇不同的參照照明體有不同的色度坐標，對不同的顏色有不同的主波長，所以，在說明主波長時應(yīng)附注所對應(yīng)的參照照明體。色度學(xué)中另一個重要的參數(shù)是純度，為了了解這個參數(shù)，首先必須了解色度圖。如圖2-7，得到LED光源在色度圖上的色度坐標后，選定坐標值XE0.3333，YE0.3333的點為等能白光點，如果某光源位于色度圖的點

23、F，其純度定義為，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，即P100（2-11）圖2-7中F點的純度為75%，G點的純度為100%。2.4.6色溫的概念當某輻射體與絕對黑體在可見光區(qū)域具有相同形狀的光譜功率分布時的溫度，稱為該輻射體的色溫。所謂黑體，是指能夠完全吸收由任何方向入射的任何波長的輻射的熱輻射體。不同溫度下，絕對黑體的色度坐標見表2-3。將表2-3色度坐標畫于色度圖上，即得到圖中的黑體跡線。當某一光源的色坐標(x，y)位于色度圖上的黑體跡線時，就以黑體的絕對溫度定義為該光源的色溫2627。但是，有許多光源的色度坐標并不在黑體跡線上，就引出相關(guān)色溫的概念，即在色度圖上，和某一光源的色度坐標點相距最近的那個黑體的絕對溫度就定義為該光源的相關(guān)色溫。表2-3絕對黑體的色度坐標TKxy5000.7210.27910000.6520.34515000.5860.3931800