LED-光电参数定义及其详解.doc

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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

2、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 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(10-14-10-15m)，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。 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

3、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，符号为 nm)，此处 1nm=10-9m。人 推荐精选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、 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、 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

4、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，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 v(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 I

5、v(Luminous Intensity)：光源在单位立体角内发射的光通量，可 表示为 IV=d/d。 3.相对光谱能量(功率)分布 P( l )(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 l 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 l (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。 推荐精选2.3.1 LED 光通量 在辐射度学上，LED 辐射通量 F E用

6、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 4 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 量 F 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 推荐精选683 7801700 780谱光效率函数 V( l )，它在 555nm 上有

7、最大值，此时 1W 辐射通量等于 683lm， 如图 2-2 所示，其中 V( l )为暗视觉条件(亮度为 0.001cd/m2 以下)下的光谱光视 效率。 V'(l）V(l)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：推荐精选FVò 380FE( l ) V ( l ) d l （2-1） 推荐精选暗视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为：推荐精选F V F E (l) V ' (l )d l （2-2） 推荐精选ò 380 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

8、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20。 2.3.2 LED 发光强度 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 =dC/d，式中 d 是点光源在某 一方向上所张的立体角元如图 2-3 所示。 推荐精选图 2-3 点光源的发光强度 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

9、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 F 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：推荐精选IFV WF V 2S d（2-3） 推荐精选从物理上看，这里的平均发光强度的概念，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。CI

10、E 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 1cm2(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 A316mm0.001sr2o标准条件 B100mm0.01sr6.5o2.3.3 LED 相对光谱能量分布 P( l ) 发光二极管的相对光谱能量分布 P( l )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，通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表 示。

11、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 推荐精选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 推荐精选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。 人眼 感光 图 2-4 LED 光谱分布曲线其中：

12、1.蓝色 InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰 l p=460465nm 2.绿色 LED，发光谱峰 l p=550nm 3.红色的 LED，发光谱峰 l p=680700nm 4.红外 LED，发光谱峰 l p=910nm 5.硅光电二极管 2.3.4 LED 的峰值波长 l p 和光谱半波宽 l LED 相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长 l p 和光谱半波宽 l 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 的能级位置决定。光谱半波宽 l 定义为相对光谱能量分布曲线上，两个半

13、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22。 推荐精选图 2-5 光谱半波宽 l 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 l 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，这个光谱色就是颜色的主波长。 2.C

14、IE 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，是相对于可见光而言，它所具有的波长范围在

15、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。 推荐精选表 2-2 各种颜色光线的波长 光色波长 （nm)代表波长红（Re

16、d）780630700橙（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

17、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 察者的眼内。人眼看到的视场范围在 2左右，被分成两部分。在此实验装置上 推荐精选可以进行一系列的颜色匹配实验。待配色光可以通过调节上方三原色的强度来混

18、合形成，当视场中的两部分色光相同时，此时认为待配色光的光色与三原色光的 混合光色达到色匹配。不同的待配色光达到匹配时三原色光亮度不同，可用颜色 方程表示2324： C= R (R)+ G (G)+ B (B)（2-4）式中 C 表示待配色光；(R)、(G)、(B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色 的单位量； R 、 G 、 B 分别为匹配待配色所需要的红、绿、蓝三原色的数量， 称为三刺激值；“”表示视觉上相等，即颜色匹配。 推荐精选2.4.3 CIE-RGB 光谱三刺激值 国际照明委员会（CIE）规定红、绿、蓝三原色的波长分别为 700nm、546.1nm、 435.8nm，CIE-RGB 光

19、谱三刺激值是 317 位正常视觉者，用 CIE 规定的红、绿、 蓝三原色光，对等能光谱色从 380nm 到 780nm 所进行的专门性颜色混合匹配实 验得到的。1931 年，CIE 给出了用等能标准三原色来匹配任意颜色的光谱三刺 激值曲线，如图 2-6 所示，这样的一个系统被称为 CIE-RGB 系统。 b(l)r(l)g(l)图 2-6 CIE-RGB 光谱三刺激值 在上面的曲线中，曲线的一部分三刺激值是负数，这表明不可能靠混合红、 绿、蓝三种光来匹配对应的光，而只能在给定的光上叠加曲线中负值对应的原色， 来匹配另两种原色的混合。对应于在公式（2-4）中的权值会有负值， 52图库基地由于实际

20、 上不存在负的光谱强度，而且这种计算极不方便，不易理解，人们希望找出另外 一组原色，用于代替 CIE-RGB 系统，因此，1931 年的 CIE-XYZ 系统利用三种 假想的标准原色 X（红）、Y（绿）、Z（蓝），以便使我们能够得到的颜色匹配函 数的三刺激值都是正值。 2.4.4 1931CIE-XYZ 系统 根据 CIE 推荐的红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的波长为 700nm、546.1nm、 435.8nm，它们在 1931CIERGB 系统和 1931CIEXYZ 系统的坐标为： 推荐精选RGB 系统色度坐标XYZ 系统色度坐标rgbxyz(R)1，0，00.7347，0.2653

21、，0.0000(G)0，1，00.2737，0.7174，0.0089(B)0，0，10.1665，0.0089，0.8246对于光谱波长为 l 的颜色刺激，其 r( l )、g( l )、b( l )色度坐标对 x( l )、y( l )、z( l )色度坐标的转换关系为：推荐精选x( l )0 49000 r ( l ) + 0 31000 g ( l ) + 0 20000 b ( l )0 66697 r ( l ) + 1 13240 g ( l ) + 1 20063 b ( l )推荐精选y( l )=z( l )=0 17697 r ( l ) + 0 81240 g ( l

22、)0 66697 r ( l ) + 1 13240 g ( l )0 00000 r ( l ) + 0 01000 g ( l )0 66697 r ( l ) + 1 13240 g ( l )+ 0 01063 b ( l )（2-5）+ 1 20063 b ( l )+ 0 99000 b ( l )+ 1 20063 b ( l ) 推荐精选用上式计算出 1931CIERGB 系统中各波长的光谱在 1931CIEXYZ 系统推荐精选中的相应的色度坐标，并将各波长的普线的坐标点连接起来就成为 1931CIE推荐精选XYZ 系统色度图，如图 2-7 所示。图 2-7 1931CIEXY

23、Z 系统色度图 推荐精选在求得个光谱波长的 x( l )、y( l )、z( l )的基础上，应用公式（2-6）可以计推荐精选算出 1931CIEXYZ 色度系统中的光谱三刺激值x ( l )y ( l )z ( l )x (l ) 、 y ( l ) 、 z (l ) 为推荐精选x ( l )x (l )= =y ( l )z ( l ) y( l ) z (l ) 1（2-6） 推荐精选由 1931CIERGB 系统转换得到的x(l) 、y(l)、z(l)三条曲线称为“1931CIE推荐精选XYZ 标准色度观察者光谱三刺激值”，如图 2-8 所示，这组曲线分别代表匹配推荐精选各波长等能光谱

24、刺激所需要的红(X)、绿(Y)、蓝(Z)三原色的量。国际照明委员会推荐精选规定 1931CIEXYZ 系统的 y (l )有:x ( l )x (l ) 与人眼的光谱光效率函数 V( l )一致，即所以，V( l ) 推荐精选y(l)推荐精选y(l)V( l )（2-7）推荐精选z(l)推荐精选z(l)V( l )推荐精选y(l)推荐精选z(l)推荐精选y(l)x(l)图 2-8 1931CIEXYZ 标准色度观察者光谱三刺激值 2.4.5 CIE 色度坐标及主波长计算方法 要确定LED器件的发光颜色，可以用颜色的色度坐标及其主波长来描述。颜 推荐精选色感觉是由于LED光辐射源的光辐射作用于人

25、眼的结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且还取决于人眼的视觉特性，根据前面的论述，y(l)V( l )，如果已知器件的相对光谱能量P( l )分布函数，根据CIE的规定，那么由它引起的CIE三刺激值X、Y、Z可以按下式计算，K为调整因数780推荐精选P (l )x( l )d lX=K ò 380780P( l ) y (l )d lY=K ò 380780P( l )z (l )d lZ=K ò 380（2-8） 推荐精选在实际计算色度坐标 X、Y、Z 时，常用求和来代替式（2-8）的积分式： 780 XK åP(l)x(l)Dll380780YK &

26、#229;P(l)y(l)Dl（2-9）l380780ZK åP(l)z(l)Dll 380 式（2-8）和式（2-9）中的 X、Y、Z 即为 1931CIE 色度系统中的三刺激值。由 式（2-8）和式（2-9）计算得到 X、Y、Z 三刺激值后可求得 LED 发光器件的色 度坐标为：推荐精选x=y=XX + Y + Z（2-10）YX + Y + Z 推荐精选得到 LED 发光器件的色度坐标，该发光体颜色的主波长不难获得。为了说 明“主波长”的概念，从前面的定义得知，需要一个参照照明体。如图 2-9，在色 度图中心的 WE点代表等能白光，它由三原色的各三分之一单位混合而成的，其 色度

27、坐标为：XE0.3333，YE0.3333，ZE0.3333，可以把它当做参照照明体。 S1 代表某一实际颜色，连接 WE和 S1 并延长与光谱轨迹线相交于 l d点，则 l d 推荐精选为 S1 的主波长25。根据加混色定律，S1 可以用 WE和光谱波长为 l d的光谱色相 混合而获得。 推荐精选图 2-9 CIE1931 色度图 在图 2-9 中 l d565nm，称 565nm 为颜色 S1 以 WE 为参照照明体的主波长。由 于选择不同的参照照明体有不同的色度坐标，对不同的颜色有不同的主波长，所 以，在说明主波长时应附注所对应的参照照明体。 色度学中另一个重要的参数是纯度，为了了解这个

28、参数，首先必须了解色度 图。如图 2-7，得到 LED 光源在色度图上的色度坐标后，选定坐标值 XE0.3333， YE0.3333 的点为等能白光点，如果某光源位于色度图的点 F，其纯度定义为， 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，即推荐精选PWF WG´ 100 （2-11） 推荐精选图 2-7 中 F 点的纯度为 75%，G 点的纯度为 100%。 2.4.6 色温的概念 当某辐射体与绝对黑体在可见光区域具有相同形状的光谱功率分布时的温 度，称为该辐射体的色温。所谓黑体，是指能够完全吸收由任何方向入射的任何 波长的

29、辐射的热辐射体。不同温度下，绝对黑体的色度坐标见表 2-3。将表 2-3 色度坐标画于色度图上，即得到图中的黑体迹线。当某一光源的色坐标(x，y)位 于色度图上的黑体迹线时，就以黑体的绝对温度定义为该光源的色温2627。但 是，有许多光源的色度坐标并不在黑体迹线上，就引出相关色温的概念，即在色 度图上，和某一光源的色度坐标点相距最近的那个黑体的绝对温度就定义为该光 源的相关色温。 推荐精选表 2-3 绝对黑体的色度坐标 T癒xy5000.7210.27910000.6520.34515000.5860.39318000.5490.40820000.5260.41323000.4950.4155

30、0000.3450.35160000.3220.33170000.3060.316100000.2800.288240000.2500.253¥0.2400.2342.5 LED 发光器件的电参数的测量 LED 发光器件相关电性参数： 1.正向电压 VF(Forward Voltage)：通过发光二极管的正向电流为确定值时，在 两极间产生的电压降。 2.反向电压 VR(Reverse Voltage)：被测发光二极管器件通过的反向电流为确定 值时，在两极间所产生的电压降。 3.反向电流 IR(Reverse Current)：加在发光二极管两端的反向电压为确定值时， 流过发光二极管的

31、电流。 2.5.1 LED 的伏安特性 LED 的 I-V 特性表征 LED 芯片 PN 结制备性能主要参数，LED 通常都具有 图 2-10 所示的较好的伏安特性。LED 的 I-V 特性具有非线性、整流性质：单向 导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻2829。 推荐精选图 2-10 LED 的 I-V 特性 1.正向截止区：（图 oa 或 oa段）a 点对于 V0 为开启电压，当 VVa，外加电 场尚未克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时电阻很大；开启电压对于不 同 LED 其值不同，GaAs 为 1V，红色 GaAsP 为 1.2V，GaP 为 1.8V，GaN 为 2.5V。 2.正向工作区：电流 IF与外加电压呈指数关系，IS为反向饱和电流。V0 时， VVF 的正向工作区 IF随 VF指数上升。 3.反向截止区：V0 时 PN 结加反偏压，V=-VR时，GaN 反向漏电流 IR（V=-5V） 为 10uA。 4.反向击穿区 V-VR，VR称为反向电压；VR电压对应 IR为反向漏电流。当 反向偏压一直增加使 V-VR时，则出现 IR突然增加而出现击穿现象。由于所用 化合物材料种类不同，各种 LED 的反向击穿电压 VR也不同。 推荐精选 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 推荐精选