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LED的光學(xué)特性(二)

星之球激光 來源:電子工程網(wǎng)2012-11-20 我要評論(0 )   

3 光通量 光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量,它標(biāo)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(guān)。隨著電流增加,LED光通量隨之增大???..

       3 光通量

  光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量,它標(biāo)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(guān)。隨著電流增加,LED光通量隨之增大??梢姽釲ED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(guān)。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。

  4 發(fā)光效率和視覺靈敏度

  ①LED效率有內(nèi)部效率(pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)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。

  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(xué)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(guān)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(jié)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(lán)光465GaN10

  白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6,大芯片18

  品質(zhì)優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大,向外發(fā)出的光盡可能多,即外部效率要高。事實(shí)上,LED向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分,總的發(fā)光效率應(yīng)為

  η=ηiηcηe,式中ηi向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入效率,ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率,ηe為外部出光(光取出效率)效率。

  由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(無環(huán)氧封裝)若垂直入射,被空氣反射,反射率為(n1-1)2/(n1+1)2=0.32,反射出的占32%,鑒于晶體本身對光有相當(dāng)一部分的吸收,于是大大降低了外部出光效率。

  為了進(jìn)一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施:①用折射率較高的透明材料(環(huán)氧樹脂n=1.55并不理想)覆蓋在芯片表面;②把芯片晶體表面加工成半球形;③用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點(diǎn)玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽,可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。

       5 發(fā)光亮度

  亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù),具有很強(qiáng)方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量,單位為cd/m2或Nit。

  若光源表面是理想漫反射面,亮度BO與方向無關(guān)為常數(shù)。晴朗的藍(lán)天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit(尼特),從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。

  LED亮度與外加電流密度有關(guān),一般的LED,JO(電流密度)增加BO(亮度)也近似增大。另外,亮度還與環(huán)境溫度有關(guān),環(huán)境溫度升高,ηc(復(fù)合效率)下降,BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變,電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高,溫升后,亮度呈飽和狀態(tài)。

  6 壽命

  老化:LED發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān),可描述為Bt=BOe-t/τ,Bt為t時間后的亮度,BO為初始亮度。

  通常把亮度降到Bt=1/2BO所經(jīng)歷的時間t稱為二極管的壽命。測定t要花很長的時間,通常以推算求得壽命。測量方法:給LED通以一定恒流源,點(diǎn)燃103~104小時后,先后測得BO,Bt=1000~10000,代入Bt=BOe-t/τ求出τ;再把Bt=1/2BO代入,可求出壽命t。

  長期以來總認(rèn)為LED壽命為106小時,這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用,國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來35%,壽命>6000h。
 

 

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