LED的光学特性

LED的光学特性

3.1 半值角θ1/2和视角：

半强角度，也称为半值角或半功视角θ1/2，是指光源中心法线方向向四周张开，中心光强从I到周围的I/2之间的夹角，即为半强角度，如下图所示：

                        

当光源 的光强均匀时，向法线偏转的周围光强是原来一半时所夹的角应当都相等。当光强不均匀时，夹角就不相等了。从上图可知，当发光角度是40度时，此LED光源的相对发光强度是0.7，其半功视角为120度，相对光强—发光角度相关曲线在法线两边成对称，可知此LED光源光强分布均匀；视角即LED光源的发光角度，指光源中心法线方向向四周张开，中心光强I到周围的I=0（或人眼可以感受到的光强）之间的夹角。从上图可知，此LED光源的视角是140度。

 

3.2  LED光源峰值波长、光谱半宽度、主波长及其光谱分布

3.2.1 LED光源光谱分布曲线：

LED光源所发出的光并非单一波长，而是包含一定波长范围的复色光，LED光源发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，它们之间的关系曲线称为光谱分布曲线，    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。如下图为某一LED光源的光谱分布曲线。

                                           

由图可见，该LED所发之光是波长从520 nm到620nm左右的复色光（黄绿色，偏绿）。

3.2.2 峰值波长：

在LED光源所发出的光中，某一波长的光功率比附近波长的光功率大，即所发出的光在某一波长处具有光功率极大值，这一波长就称为LED光源的峰值波长。峰值波长可以是单个，也可以有多个。如上图所示，此LED光源的峰值波长只有一个，其峰值波长为560nm。

 3.2.3谱线半宽：

在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应的波长λp-△λ，λp+△λ之间的宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度，半高宽度反映谱线的宽窄，即LED单色性的程度，LED半宽小于40 nm。

3.2.4主波长：

某些LED的光谱分布曲线不止一个峰值波长，甚至有多个峰值，并非单色光，这与发光芯片的材料有关，如GaP材料可发出多个峰值波长的光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长指人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长，即主波长描述了LED的发光颜色。单色性越好，则λp也就是主波长。上图所示LED光谱分布曲线的峰值波长也就是该LED的主波长。

下图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、是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰λp = 460～465nm；

2、是绿色GaP:N的LED，发光谱峰λp = 550nm；

3、是红色GaP:Zn-O的LED，发光谱峰λp = 680～700nm；

4、是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰λp = 910nm；

5、是Si光电二极管，通常作光电接收用。

 

3.3、光通量：

为了更好的理解光通量，在介绍光通量之前，先熟悉几对概念：光谱辐射通量与光谱辐射能量密度，视觉灵敏度与视见函数，辐射效率、发光效率与光视效能。

 

3.3.1 光谱辐射通量与光谱辐射通量密度、视觉灵敏度及视见函数：

面积元ds的辐射通量是指光源表面面积元ds所辐射出的所有波长（包括可见光与非可见光）的光能量。

光谱辐射通量密度指光源表面一个面积元dS辐射某一波长λ的光的辐射功率。表示该面积元dS在单位时间内所辐射的不同波长的光的相对辐射通量。用光谱辐射功率密度函数e(λ)表示，因此光源面积元dS辐射出来的波长在λ到λ+dλ间的光辐射通量为：

                                                            

在辐射通量中，我们只对能引起视觉的部分感兴趣，但对于相等的辐射通量，人眼对不同波长的光的感觉是不同的。为了研究客观的辐射通量与它们在人眼所引起的主观感觉强度之间的关系，必须了解眼睛对各种不同波长的光的视觉灵敏度。在引起强度相等的视觉情况下，若所需的某一单色光的辐射通量愈小，则说明人眼对该单色光的视觉灵敏度愈高。设波长为555nm的光和任一波长为λ的光，产生相同亮暗视觉所需的辐射通量分别为Δε555nm和Δελ，则比值称作波长为λ的光的视见函数。

                                                                   

3.3.2 光视效能及最大光视效能：

光通量与辐射通量的比值称为光视效能，单位为流明每瓦（lm/w），可表达为：

                                                                  

其中V(λ)是视见函数，km= 683lm/w称为最大光视能效，简称最大光效率。

 

3.3.3 辐射效率与发光效率：

光源的辐射通量与光源的耗电功率的比值，称为光源的辐射效率，表示光源将消耗的能量转换为辐射通量的能力。

光源发出的总光通量Φ与光源的耗电功率的比值，称为光源的发光效率或流明效率，表示光源将消耗的能量转换为光通量（视觉）的能力，用于评价具有外封装LED的特性，LED的流明效率高是指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大

                                                     

品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为η=ηiηcηe ，式中ηi向为p、n结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光（光取出效率）效率。

由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出的光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装），由于全反射临界角很少，LED芯片发出的光很容易被空气反射，从而大大降低了LED的外部出光效率。

 为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：① 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面；② 把芯片晶体表面加工成半球形；③ 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。

 

 

3.3.4  光通量：

光通量是指光源表面辐射出来的所有波长的光能量中（辐射通量，单位为瓦特）能被人眼视觉感知的那部分光的光能量，其单位为流明lm。光通量等于辐射通量与视见函数的乘积。所以光源单位面积上波长为λ的单色光的光通量为

                                                       

复色光光通量表示式可写为

                                                          
光通量是表征LED总光输出的辐射能量，是LED向各个方向发光的能量之和，标志着LED器件性能的优劣。光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。且随着电流增加，LED光通量随之增大。     

3.4 发光强度

发光强度简称光强，是指光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量，表征光源在一定方向范围内发出
的光通量的空间分布，发光强度的国际单位是坎德拉（cd）。可表达为

                                                                        

式中dΩ是点光源在某一方向上所张的立体角元。

用极坐标(θ，φ)来描写选定的方向时，I（θ，φ）表示

沿着该方向的发光强度。因dΩ=sinθdθdφ，所以

                                                    

由点光源所发出的总光通量为

                                                         

3.5 照度与出射度 

照度：指光源照到某一物体表面上的光通量与该表面面积的比值，表征受照面被照明的程度， 照度的单位称为勒克斯 (lx)。1勒克斯等于1lm的光通量均匀分布在1m2的表面上所产生的照度。照度的另一单位辐透(ph)。1ph=104lx，照度的表达式为

                                                                         

对点光源来说dΦ=IdΩ，因而照度

                                                                        

即点光源的照度反比于光源到受照面距离的平方，而正比于光束的轴线方向与受照面法线间夹角α的余弦。

出射度：单位面积的面元发出的总光通量称为面光源的出射度，以M表示。对于面光源,如果面元dS沿各方向发出的总光通量为dΦ，则

                                                                            

出射度的单位也是勒克斯或辐透。由于出射度和照度有相同的量纲和类似的定义，故可将它称为功率密度。值得指出的是，照度中的光通量是面元所接收的光通量，而出射度中的光通量是面元所辐射的光通量。

 

3.6 亮度

亮度：光源发光面上某点的亮度是指垂直于给定方向的平面上所得到的发光强度与该正投影面积的比值，即单位面积的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量，它是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量，亮度的单位为尼特(nit)，另一单位为熙提(stilb)， 1sb=104nt，亮度的表达式为：

                                                                      

LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加，亮度BO也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，ηc（复合效率）下降，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。几种化合物半导体材料发光芯片的亮度与外加电流密度的关系如下图示：

                                                 

 3.7老化与寿命

     老化是指LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt= B0* exp(-t/τ)，Bt为t时间后的亮度，B0为初始亮度。

  通常把亮度降到Bt=1/2B0所经历的时间t称为二极管的寿命。测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103 ~104 小时后，先后测得B0，Bt=1000~10000，代入Bt= B0* exp(-t/τ)求出τ；再把Bt=1/2B0代入，可求出寿命t。