LED光学特性和热学特性分析

最新更新时间:2011-12-05来源: OFweek半导体照明网关键字:光学  LED  热学 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  LED是利用化合物材料制成pn结光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性:I-V特性、C-V特性和光学特性:光谱回应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。

  LED光学特性

  发光二极体有红外(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。

  发光法向光强及其角分布Iθ

  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。发光强度的角分佈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)

  发光峰值波长及其光谱分布

  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。

  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。只有单色光才有λp波长。

  谱线宽度

  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λp-△λ,λp+△λ之间宽度叫谱线宽度,也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄,即LED单色性的参数,LED半宽小于40 nm。

  主波长

  有的LED发光不单是单一色,即不仅有一个峰值波长;甚至有多个峰值,并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的,由LED发出主要单色光的波长。单色性越好,则λp也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长,而主波长只有一个,它会随着LED长期工作,结温升高而主波长偏向长波。

  光通量

  光通量F是表征LED总光输出的辐射能量,它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和,它与工作电流直接有关。随着电流增加,LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明(lm)。

  LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水准及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约1 lm,白光LED的F≈1.5~1.8 lm(小芯片),对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED,其F=18 lm。

  光效率和视觉灵敏度

  1 LED效率有内部效率(pn结附近由电能转化成光能的效率)与外部效率(辐射到外部的效率)。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射出光能量(发光量)与输入电能之比,即发光效率。

  2 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ = 555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为Kλ,则发光能量P与可见光通量F之间关係为 P=∫Pλdλ ; F=∫KλPλdλ

  3 发光效率——量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数=(e/hcI)∫λPλdλ若输入能量为W=UI,则发光能量效率ηP=P/W若光子能量hc=ev,则η≈ηP ,则总光通F=(F/P)P=KηPW 式中K= F/P

  4 流明效率:LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP它是评价具有外封装LED特性,LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大,故也叫可见光发光效率。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。当芯片发出光在晶体材料与空气介面时(无环氧封装)若垂直入射,被空气反射,反射率为(n1-1)2/(n1+1)2=0.32,反射出的占32%,鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收,于是大大降低了外部出光效率。

  为了进一步提高外部出光效率ηe可採取以下措施:

  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。

  发光亮度

  亮度是LED发光性能又一重要参数,具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量,单位为cd/m2 或Nit。

  若光源表面是理想漫反射面,亮度BO与方向无关为常数。晴朗的蓝天和萤光灯的表面亮度约为7000Nit(尼特),从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。
LED亮度与外加电流密度有关,一般的LED,JO(电流密度)增加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。

  寿命

  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=BO e-t/τ,Bt为t时间后的亮度,BO为初始亮度。

  通常把亮度降到Bt=1/2BO所经歷的时间t称为二极体的寿命。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BO,Bt=1000~10000,代入Bt=BO e-t/τ求出τ;再把Bt=1/2BO代入,可求出寿命t。

  长期以来总认为LED寿命为106小时,这是指单个LED在IF=20mA下。随着功率型LED开发应用,国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来35%,寿命>6000 h。

  热学特性

  LED的光学参数与pn结结温有很大的关係。一般工作在小电流IF<10mA,或者10~20 mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高,LED的主波长或λp 就会向长波长漂移,BO也会下降,尤其是点阵、大显示幕的温升对LED的稳定性影响应专门设计散射通风装置。

  LED的主波长随温度关係可表示为λp( T′)=λ0(T0+△Tg×0.1nm/℃由式可知,每当结温升高10 ℃,则波长向长波漂移1nm,且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。

关键字:光学  LED  热学 编辑:探路者 引用地址:LED光学特性和热学特性分析

上一篇:详细解读低成本DC-LED驱动器-CYT34065
下一篇:高品质LED产品是怎样炼成的

推荐阅读最新更新时间:2023-10-18 16:11

RGB LED气氛灯光照明—营造温馨照明的MSP430
高亮度 LED 在照明应用中的使用越来越广泛。我们在这里将介绍一种简单的“气氛照明灯”,其仅使用了少量的组件。所有这三 种 LED 均由使用开关调节器的恒定电流来供电,同时亮度控制由能够产生三种 PWM 信号的 MSP430 微控制器来完成。可以用磨 砂玻璃外壳将印刷电路板安装到台灯中,或者也可以和 LED 聚光灯一起使用来进行间接照明。 无论其功耗有多大,现在的 LED 通常都使用一个恒定电流源来驱动。这是因为以流明 (lm) 为单位的光输出量和电流量成正比例 关系。 因此,所有的 LED 厂商都规定了诸如光输出(有时称为光学效率)、可视角度和波长等参数,作为正向电流 IF 的函数,而非像人 们所期望的那样作为正向电压 VF
[单片机]
RGB <font color='red'>LED</font>气氛灯光照明—营造温馨照明的MSP430
浅谈LED驱动电源
  LED具有低能耗、寿命长、发热量低、环保等特点,在很多领域内得到了广泛应用,例如:   1 照明领域 路灯、遂道灯、LED格栅灯、LED室内灯、LED天花灯等   2 景观照明 楼宇、路桥、广场建筑设施、草坪灯、幕墙灯等   3 用作背光源 手机、电脑等   4 信息平面显示 显示板、动态广告牌、模拟动画、体育场馆、工商业、其他行业等   5 汽车方面 车厢内的指示灯及内部阅读灯、车外的刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等   6 特殊领域的应用 防爆灯具、矿业生产中的矿灯等   LED是具有二极管特性的发光管,它只能单方向通电。通常LED亮度输出与通过LED电流成正比,但白光LED在大电流下
[电源管理]
浅谈<font color='red'>LED</font>驱动电源
基于μC/OS2II的LED显示屏控制器
  目前,LED大屏幕显示系统按数据传输方式分为两类:一是同步实时显示,即计算机显示系统的内容同时在LED视频显示屏上显示;二是异步通信更新数据显示,计算机通过USB、通用串行接口、以太网等通信方式将数据传送给独立视频源显示屏。通常,异步通信控制方式只能将屏幕作为一个完整的区域显示,对于较大屏幕的显示系统,有时需要将整屏分为若干个窗口分别显示不同的内容,且内容的更新只是某一个或几个窗口。针对这种情况,本文提出了一种基于NiosII32位处理器的设计方案,能有效地实现单屏幕多窗口的任意位置显示,使得显示方式更加灵活方便。   1 系统总体设计   1.1 系统硬件结构   LED显示系统主要由计算机系统、数据通信传
[电源管理]
基于μC/OS2II的<font color='red'>LED</font>显示屏控制器
太阳能与LED照明结合体成为绿色新能源
  当今世界,石油、煤炭、天然气等主要能源正面临资源枯竭的危险,同时,环保压力也在不断增加,因此,环保、节能已经成为世界范围内各行各业努力追求的目标。太阳能是一种清洁的绿色能源,半导体发光二极管(LED)也是一种环保、节能、高效的固态电光源。   在过去的一百多年中,照明光源经历了三个重要的阶段:白炽灯,荧光灯,HID灯。其中白炽灯是第一代光源,荧光灯是第二代光源,高强度气体放电灯是第三代光源(HID)。如今在照明界具有广阔的发展前景的LED光源被称为第四代光源。LED作为新颖的半导体光源,具有寿命长、发光效率高、功耗低、启动时间短、结构牢固等特点。    1.太阳能光伏发电的原理   太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件,利用半
[电源管理]
解析LED显示屏“高亮度”与“高节能”
  对LED显示屏是怎样节能的,相信越来越多的业内人士都已了如指掌,不外乎就是从高亮LED灯、驱动IC、开关电源、产品功耗设计、智能节能系统设计与结构节能设计这些方面着手实施。诚然,如何在这几方面找到最佳平衡点,便能实现最佳的LED显示屏节能效果了。   但不知何时起,不知道是什么原因,或许是在某些厂家的有意无意推崇下,高节能的概念却悄悄地被“高亮度”模糊甚至替代了:在同一成本前提下,显示屏的亮度越高就越“节能”,越超值!并逐渐成为了他们反馈给客户的超值“性价比”优势。   其实,就为达到良好的节能目标而言,过分追求高亮度是与节能相背离的。下面,我们来分析一下“高亮度”与“高节能”的潜在关系。   目前国内
[电源管理]
51单片机实验2:led灯闪烁
开发板led模块电路图如下: 在keil中,sbit的声明要放在全局变量的位置,若放在函数中,会报错。 延时函数的变量使用unsigned char,而不是int,因为char所占空间为1字节,为int所占空间为4字节,因此使用char可以节约内存。但是unsigned char仅能表示0~255,所以延时函数中的参数最大为255,若要更大,则使用int。 #include reg52.h #include intrins.h #define uc unsigned char sbit led1=P2^0; void delay(uc n) { uc i,j; for(i=1;i =n;i++) fo
[单片机]
51单片机实验2:<font color='red'>led</font>灯闪烁
安森美半导体的汽车照明创新符合个性、安全、节能的汽车
  在当今快速演变的汽车照明市场,LED驱动器的作用尤为重要:为汽车厂商提供更节能的选择以满足消费者对燃油经济性的要求、提升能见度安全性以降低或避免交通事故发生率、打造个性化的车辆氛围达至消费者对汽车独特的造型期望……在未来8年,汽车照明系统整体年复合增长率 几达10%,市场发展潜力巨大,而用于此类系统的驱动器也将有类似的增长。   汽车照明的驱动器要求   LED是根据电流而改变亮度的器件,而LED驱动器通过调节一个LED或LED串的功率,提供恒定的光输出。每一汽车照明方案都需要一个独特的驱动设计,工程师需根据不同的要求如串联或并联、高功率或低功率以及成本或功能等等,为特定应用选择合适的LED驱动器以尽量提升能效。  
[嵌入式]
德承全新嵌入式电脑DS-1400系列,助力AOI自动光学检测
稳定的质量控制是制造业中不可或缺的重要环节之一。随着智能工厂和人工智能技术的快速发展,自动光学检测(AOI,Automated Optical Inspection)逐渐取代了传统的人工检测,凭借其高效率、高精确度和非接触式检测等优势成为主流。AOI的核心在于强大的实时运算和机器学习,为此需要依托CPU和GPU的强大算力来支持。强固型嵌入式电脑品牌 - Cincoze德承近期发布全新的强固型嵌入式电脑 - DIAMOND产品线旗下高效能&PCIe扩展型嵌入式电脑(DS-1400系列)。不仅搭载了超高效能的CPU,还可支持PCIe接口的GPU卡,自上市以来,已成为AOI领域备受关注的焦点,是边缘AI电脑的理想选择。
[传感器]
德承全新嵌入式电脑DS-1400系列,助力AOI自动<font color='red'>光学</font>检测
小广播
最新电源管理文章
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved