什么是LED光通量
LED光通量
LED光通量和光強(qiáng)有關(guān)系嗎?
用積分球測其光通量,整個球內(nèi)的亮度稱為光通量,光強(qiáng)則為某一角度范圍內(nèi)的亮度稱為光強(qiáng),所以光通量大光強(qiáng)也就大,但是光強(qiáng)大光通亮不一定大,光強(qiáng)的大小取決于設(shè)計角度的大小,在LED晶片亮度一定的情況下角度越小光束越集中光強(qiáng)也就越大,反之則越小。
LED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1 lm,白光LED的F≈1.5~1.8 lm(小芯片),對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED,其F=18 lm。
一、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)。
二、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=BO e-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=BO e-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。
三 發(fā)光效率和視覺靈敏度
① LED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。
② 視覺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680 lm/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
③ 發(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
④ 流明效率:LED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 700660650 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP 2.40.270.38 120.50.5 1~30.30.2
黃光 590 GaP:N-N 0.45 0.1
綠光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.015~0.15
藍(lán)光 465 GaN 10
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向為p、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。