LED的光学特性

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

一、LED的结构及发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由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p-n结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

二、LED光源的特点1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级6. 对环境污染：无有害金属汞7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。

如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。

LED的电学、热学及光学特性研究1. 简介众所周知，LED的有效光辐射（发光度和/或辐射通量）严重受其结温影响（如图一所示，数据来源于Lumileds Luxeon DS25 的性能数据表）。

（点击图片查看原图）图1：一组从绿光到蓝光以及白光的LED 有效光辐射随结温的变化关系单颗LED 封装通常被称为一级LED，而多颗LED 芯片装配在同一个金属基板上的LED 组件通常被称为二级LED。

当二级LED 对光的均匀性要求很高时，结温对LED 发光效率的影响这个问题将十分突出[1]。

文献[2]中提到，可以利用一级LED 的电、热、光协同模型来预测二级LED 的电学、热学及光学特性。

前提是需要对LED 的散热环境进行准确建模。

本文第2 节中我将讨论怎样通过实测利用结构函数来获取LED 封装的热模型，并将简单描述一下我们用来进行测试的一种新型测试系统。

第3 节中，首先我们回顾了电-热仿真工具的原理，然后将此原理扩展应用到板级的热仿真以帮助优化封装结构的简化热模型。

在文章的最后我们将介绍一个应用实例。

2. 建立LED 封装的简化热模型关于半导体封装元器件的简化热模型（CTMs）的建立，学术界已经进行了超过10 年的讨论。

现在，对于建立封装元器件特别是IC封装的独立于边界条件的稳态简化热模型（CTMs），大家普遍认同DELPHI 近似处理方法[3][4][5]。

为了研究元器件的瞬态散热性能，我们需要对CTM 进行扩展，扩展后的模型称之为瞬态简化热模型（DCTMs）。

欧盟通过PROFIT 项目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法，并且同时扩展了热仿真工具[6]的功能以便能够对DCTM 模型进行仿真计算。

∙当CTM 应用在特定的边界条件下或者封装元器件自身仅有一条结-环境的热流路径，则可以用NID（热阻网络自定义）方法[8]来对元件进行建模。

2.1 直接利用测试结果建立LED 封装的模型仔细研究一个典型的LED 封装及其典型的应用环境（图2），我们会发现，LED 芯片产生的热量基本上是通过一条单一的热流路径：芯片-散热块-MC PCB基板，流出LED 封装的。

LED光学特性、LED热学特性、LED电气特性
LED光学特性：
LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+2~3A/.LED发光亮度L与正向电流近似成比例：K为比例系数。

电流增大，发光亮度也近似增大。

另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。

LED热学特性：
小电流下，LED温升不明显。

若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。

尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显着。

所以散热设计很关键。

LED电气特性：
电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。

在实际使用中，应选择。

LED正向电随温度升高而变小，具有负温度系数。

LED消耗功率，一部分转化为光能，这是我们需要的。

剩下的就转化为热能，使结温升高。

led光学测量标准
LED光学测量标准是指对LED的光学特性进行测量和评估所遵循的一系列标准。

这些标准通常包括光度测试、色度测试、光强测试、光谱测试等方面，以确保LED产品的质量和性能符合相关要求。

具体来说，LED光学测量标准包括以下几个方面：
1.光度测试：测量LED的光通量、光效、光强等光度参数，以评估LED的光输出性能。

2.色度测试：测量LED的色度坐标、色温、主波长等色度参数，以评估LED的颜色性能。

3.光强测试：测量LED的光强分布、光束角、三维光强分布图等光强参数，以评估LED的光强分布性能。

4.光谱测试：测量LED的光谱功率分布、相对光谱功率分布等光谱参数，以评估LED的光谱性能。

此外，在进行LED光学测量时，还需要遵循相关的测试标准，如国际标准ISO 8980-1和国家标准GB/T 24824等。

这些标准规定了测试方法、测试条件、测试设备等方面的要求，以确保测试结果的准确性和可靠性。

LED光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

1．发光法向光强及其角分布Iθ1）发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。

LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。

当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。

发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。

2）发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。

它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）⑴为获得高指向性的角分布（如图1）①LED管芯位置离模粒头远些；②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；③封装的环氧树脂中勿加散射剂。

采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右，大大提高了指向性。

⑵当前几种常用封装的散射角（2θ1/2角）圆形LED：5°、10°、30°、45°2．发光峰值波长及其光谱分布1）LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。

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。

LED光谱分布曲线1蓝光InGaN/GaN2绿光GaP:N3红光GaP:Zn-O4红外GaAs5Si光敏光电管6标准钨丝灯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。

无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。

LED型式试验项目一览表
一、LED的基本特性试验
1、显色指数测量
主要测量指标有：色温、色容差、亮度系数、色彩准确度、色彩均匀
度等，采用标准光源进行比较测量。

2、光学特性测量
光学特性包括：发射角度、发射角分布、波长峰值、色容差、前后光
分布绘图等，可采用标准发光设备测量及判定。

3、流明测试
对LED进行流明测试，以确定LED的发光强度，测量流明的设备为标
准光源和流明计。

4、功耗测试
可用功耗测试仪测试LED发光器件的功耗特性，测试项目包括：电流、电压等电气特性及其相关参数的测量。

5、热特性测试
热特性测试中涉及到温度和压力的测试，包括单个LED的温度测量，LED组合热特性、热电偶位置等热特性测量。

6、相容性测试
相容性测试包括环境条件、电气条件、静态特性和动态特性等，一般
采用标准化测试设备进行测试。

二、LED工作性能试验
1、湿度测试
湿度测试旨在判定LED的抗水性能，一般按要求进行湿度测试，来测定LED灯具的绝对湿度、湿度复位和湿度循环等。

2、耐压测试
耐压测试旨在验证LED灯具的耐压性能，一般需要按照标准的步骤，采用耐压测试仪进行测试。

3、高温测试
高温测试旨在测定LED灯具的温度高于正常使用温度环境时，LED灯具的性能指标和发光特性。

一般这种测试标准。

光度和色度名词解释相关色温 CorrelatedColorTemperature)：光源发射的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近，则黑体的温度就称为该光源发射的光的相关色温，单位为K。

辐射强度 (Radiant Intensity)：在给定方向上包含该方向的立体角元内辐射源所发出的辐射通量dφ除以该立体角元dΩ，单位为W/Sr。

辐射亮度 (Radiance)：辐射源面上一点在给定方向上包含该点的面元dA的辐射强度dI除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积，单位为/Sr・m 2。

辐射照度 (Irradiance)：在辐射接收面上一点的辐射照度E等于投射在包括该点的一个面元上的辐射通量dφ除以该面元的面积dA，单位为W/m2。

发光强度 (Luminous Intensity)：光源在给定方向上包含该方向，的立体角元内所发出的光通量dφ除以该立体角元dΩ，单位为cd。

俗称坎德拉 (cd)：发光强度单位。

坎德拉是发出频率为540×1012Hz辐射的光源在给定方向的发光强度；该光源在此方向的辐射强度为1/683W/Sr。

光通量 (Luminous Flux)：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小，单位为lm。

照度 (I luminance)：表面上一点的光照度是入射在包含该点的面元上的光通量dφ除以该面元面积dA。

照度的公制单位是lx(lm/m2)，英制单位为fc(l m/ft2)。

1lx=0.0929fc1fc=10.76lx出光度 (Luminous Exultance)：单位面积上发出的光通量，单位是lm/ m2。

亮度 (Luminance)：在给定方向上，每单位面积上的发光强度。

亮度的公制单位是cd/m2(也称Nit)，英制单位是fL(1/π×cd/ft2)。

1cd/m2=0.2919fL1fL=3.426cd/m2CIE标准光度观察者(CIEStandardPhotometric Obse-rver)：相对光谱响应曲线符合明视觉V(λ)函数或者暗视觉V"(λ)函数的理想观察者。