2 LED光學特性
發(fā)光二極管有紅外(非可見)與可見光兩個系列,前者可用輻射度,后者可用光度學來量度其光學特性。
2.1 發(fā)光法向光強及其角分布Iθ
2.1.1 發(fā)光強度(法向光強)是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝,由于凸透鏡的作用,故都具有很強指向性:位于法向方向光強最大,其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度,光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。
2.1.2 發(fā)光強度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝(包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否)
?、艦楂@得高指向性的角分布
?、貺ED管芯位置離模粒頭遠些;
②使用圓錐狀(子彈頭)的模粒頭;
③封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。
采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右,大大提高了指向性。
?、飘斍皫追N常用封裝的散射角(2θ1/2角)圓形LED:5°、10°、30°、45°
2.2 發(fā)光峰值波長及其光譜分布
?、臠ED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同,繪成一條分布曲線--光譜分布曲線。當此曲線確定之后,器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(shù)亦隨之而定。
LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構(外延層厚度、摻雜雜質)等有關,而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。
下圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜響應曲線。其中LED光譜分布曲線
1藍光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O#p#分頁標題#e#
4紅外GaAs5Si光敏光電管6標準鎢絲燈
①是藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管,發(fā)光譜峰λp=460~465nm;
②是綠色GaP:N的LED,發(fā)光譜峰λp=550nm;
?、凼羌t色GaP:Zn-O的LED,發(fā)光譜峰λp=680~700nm;
?、苁羌t外LED使用GaAs材料,發(fā)光譜峰λp=910nm;
?、菔荢i光電二極管,通常作光電接收用。
由圖可見,無論什么材料制成的LED,都有一個相對光強度最強處(光輸出最大),與之相對應有一個波長,此波長叫峰值波長,用λp表示。只有單色光才有λp波長。
?、谱V線寬度:在LED譜線的峰值兩側±△λ處,存在兩個光強等于峰值(最大光強度)一半的點,此兩點分別對應λp-△λ,λp+△λ之間寬度叫譜線寬度,也稱半功率寬度或半高寬度。
半高寬度反映譜線寬窄,即LED單色性的參數(shù),LED半寬小于40nm。
?、侵鞑ㄩL:有的LED發(fā)光不單是單一色,即不僅有一個峰值波長;甚至有多個峰值,并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的,由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好,則λp也就是主波長。
如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長,而主波長只有一個,它會隨著LED長期工作,結溫升高而主波長偏向長波。
2.3 光通量
光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量,它標志器件的性能優(yōu)劣。F為LED向各個方向發(fā)光的能量之和,它與工作電流直接有關。隨著電流增加,LED光通量隨之增大。可見光LED的光通量單位為流明(lm)。
LED向外輻射的功率--光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關。目前單色LED的光通量最大約1lm,白光LED的F≈1.5~1.8lm(小芯片),對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED,其F=18lm。
2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度
①LED效率有內(nèi)部效率(pn結附近由電能轉化成光能的效率)與外部效率(輻射到外部的效率)。前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性。#p#分頁標題#e#
LED光電最重要的特性是用輻射出光能量(發(fā)光量)與輸入電能之比,即發(fā)光效率。
?、谝曈X靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在λ=555nm處有一個最大值680lm/w。若視覺靈敏度記為Kλ,則發(fā)光能量P與可見光通量F之間關系為P=∫Pλdλ;F=∫KλPλdλ
?、郯l(fā)光效率--量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn結載流子數(shù)=(e/hcI)∫λPλdλ
若輸入能量為W=UI,則發(fā)光能量效率ηP=P/W
若光子能量hc=ev,則η≈ηP,則總光通F=(F/P)P=KηPW式中K=F/P
?、芰髅餍剩篖ED的光通量F/外加耗電功率W=KηP
它是評價具有外封裝LED特性,LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大,故也叫可見光發(fā)光效率。
以下列出幾種常見LED流明效率(可見光發(fā)光效率):
LED發(fā)光顏色λp(nm)材料可見光發(fā)光效率(lm/w)外量子效率
最高值平均值
紅光700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.51~30.30.2
黃光590GaP:N-N0.450.1
綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15
藍光465GaN10
白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6,大芯片18
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