LED发光效率与光路设计软件

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
芯片选择功率1W，尺寸1mm*1mm*0.2mm, 折射率3.3，吸收率0.5，芯片出光分布 是朗伯分布。反光杯尺寸为实测反 光杯尺寸，r=1.1mm R=1.56mm h=0.8mm。
rs2=X，hickness=Y， 折射率1.5。 其中曲率半径X和中心厚度Y是变量， 我们通过改变这两个参量来改变透镜的光型和 光萃取率
Nd
dM =2 x0(x0-a)/a3〈0 da
dM 2 dx0 =2（a-x0）/a 〉0
0
x0
a
x
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温度和电流对LED内量子效率的影响
8
LEDA
6
/Lm/w
4
2
0 20
40
60
80
T/°
η-T curves of LEDA at 50mA
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Energy band
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1.04 1.03 1.02
A B
T=75℃
/lm/w
1.01 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 -200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
t/h
T=44℃
A封装千小时衰减为百分之1 B封装没有衰减
20
LEDB LEDA
15
/Lm
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
T/
370 360 350 340 330 320
10
5
0
I/mA
0
200
400
600
800
1000 1200 1400
I/mA
T-I curves of LEDA and LEDB
Φ -I curves of LEDA and LEDB
GaP (572~555 nm) GaAsP/GaP (635~595nm)
GaAlAs (940~660 nm)
400 500 600 700 800 900
可见光谱区
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红外光谱区
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报告内容 一 LED发展状况 二 LED发光原理 三 温度和电流对内量子效率 的影响 四 光学设计对外量子效率和 光型的影响 五 总结
功率型LED发光效率的研究
报告内容 一 LED发展状况 二 LED发光原理 三 温度和电流对内量子效率 的影响 四 光学设计对外量子效率和 光型的影响 五 总结
LED发展状况 白炽灯 荧光灯 LED
发光二极管与传统光源发光效率发展情况对比
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LED光源
发光效率
源自文库
√
√ Х Х √
6
7 8 9 10 11
√
Х Х √ √ Х
√
√ Х √ √ √
12
Х
√
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路灯高度9m、街道长20m 、宽18m 、接受面36m*40m。下图是光照示意图。 用TP模拟1、2、5、6、9、10的照度情况
20m
路面照度区域
9m r θ h
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n(x)dv
v
=A
n(x)dx
x0
a
= ANd[a/2+( x02/2a)-x0] 其中势阱内的电子总数和总共注入电子数量比例记为M，称为有效电子比例。 M越大，内量子效率越高
N1 =x0（2a- x0）/a2 M= N1+N2
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N1 =x0（2a- x0）/a2 M= N1+N2
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Y(mm) 1
1.5
2
2.5
X(mm)
2 2.5 3 1 5 9 2 6 10 3 7 11 4 8 12
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路灯要求 透镜序号
透镜折射率损失小于20%
发散全角大于90度；90度角 内光强基本相等
1
2 3 4 5
√
√ √ Х √
温度和电流对LED内量子效率的影响
A结构采用半径10mm，厚 度1mm铝基线路板为热沉 封装单个蓝光芯片
B结构采用180mm*120mm*2mm的长 方体铝基线路板为热沉，集成串连封装8个 LED蓝光芯片
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420 410 400 390 380
LEDB LEDA
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报告内容 一 LED发展状况 二 LED发光原理 三 温度和电流对内量子效率 的影响 四 光学设计对外量子效率和 光型的影响 五 总结
投射出透镜的光线
折射率改变出光角度 n2 n1 透镜内的光线
全反射损失
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TracePro以符合工业标准为核心所发展出来的光学软件。光学仿真软件 的重要性就是要使实际物体与仿真结果中光线的分布与强度一致，此软件采 用Monte Carlo方法的非序列式瞄光，光线在一个表面上并不只做一次计算， 可以分析任何的几何物体折射情况，故接近真实情况 。 我们以LED路灯为例，用TracePro来设计相应的透镜。透镜要满足三点要 求 1，高的光萃取率 2，路面照度均匀 3，照明范围内每一点的照度都必须大于路灯要求的最低照度值
58%
42% 73% 31%
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20m
路面照度区域 9m r θ h
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报告内容 一 LED发展状况 二 LED发光原理 三 温度和电流对内量子效率 的影响 四 光学设计对外量子效率和 光型的影响 五 总结
大功率发光二极管以其节能、环保、寿命长、高可靠性等特点，逐步成为取 代传统光源的下一代照明光源。目前在矿井灯、探照灯、信号灯、路灯、装饰灯 都得到飞速发展。应用在各种照明光源的发光二极管，即要满足发光效率高，又 要有适当的光强分布。本文围绕LED发光效率和LED路灯光强分布，开展了理论分 析，光学软件模拟和实验测试工作，主要包括以下内容： 1）根据 Van Roosbrö ck—Shockley关系，得出发光二极管中，辐射越迁几率和 温度的关系，结果与实验相吻合。结果显示，温度越高，发光二极管的内量子效 率越低；由扩散理论，得出电流越大，溢出发光区的电子越多，内量子效率越低， 结果与实验相吻合。并且得出了适当扩大发光区厚度可以提高内量子效率 2）用TracePro模拟出了理想的路灯模型。球面半径3mm，厚度1mm，反光杯底面 半径1.1mm，顶面半径1.56mm,高度0.8mm的封装结构。这种模型具有发散角大、照 度均匀、光萃取率高的优点。
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Ee max（w/m2）
Ee min（w/m2）
Ee min / Ee max 均匀度
54% 31%
1 2
0.00325 0.004
0.00175 0.00125
5
6 9 10
0.003
0.0035 0.00275 0.00325
0.00175
0.00125 0.002 0.001
环保问题
寿命
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荧光灯 白炽灯 LED
有汞污染 发光效率低
发光效率：80 lm/W 发光效率：15 lm/W 发光效率：80lm/W 寿 命：10000小时 命：5000小时 命：1000小时 寿
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LED光源与传统光源的对比
光源类型 效率 (lm/W) 显色指数 色 温 (K) 寿命 (103 h) 环保情况 白炽灯 15 95 2700 1 绿色环保 保护眼睛 荧光灯 50∼80 70∼80 2700∼8000 5 汞 污 染 有害眼睛 LED光源 50∼100 目标：200 80∼85 2700∼8000 40 ∼100 绿色环保 保护眼睛
Wem∞exp[(Eg -hν)/ k BT] / T3
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K2
Eg
K1 k’
直接辐射复合，电子跃迁选择 定律为k’=k。 温度比较低时，电子占 据量子态范围是（-k1,k1）， 满足k’=k的电子相对多 温度比较高时，电子占据 量子态范围是（-k2,k2）， 满足k’=k的电子数量相对减小
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谢谢
7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 50 100 150 200 I/mA 250 300
LEDA
/Lm/w
350
η-I curve of LED3 at 80 ℃
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Nd
0
x0
LED基本原理
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电子从导带 注入到结区
电子和空穴 复合发光
_
Eg
+ p
+ + + +
n
空穴从价带 注入到结区
在能带中电子空穴复合发光示意图
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SiC/GaN, GaN (545-430nm) InGaAlP (625-560nm)
左图显示B结构的散热效果远远好于A结构，在A散热结构中，当电流升高至750mA 时，温度达到410K，在B散热结构中，当电流升高至1300mA时，温度只有390K。 右图显示，A结构的光衰出现在700mA，B结构的光衰出现在1250mA。
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温度和电流对LED内量子效率的影响
a
x
在电流为I时，电子扩散到位置a处，并且随着外加电流I的增 加，a 也将增大。把电子浓度分布近似成一定斜率的线段。
n(x)=Nd(1-x/a)
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在（0，x 0）中的电子总数 N（势阱内）=N1=

v
n(x)dv
x0
=A n(x)dx
0

= ANd（x0-x02/2a） 在（x 0，a）内的电子总数 N（势阱外）=N2 =
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LED光源特殊优势
▉光谱范围：覆盖整个可见光谱区 ▉适应环境：抗震动、冲击、防水
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LED光源应用领域
大屏幕显示器
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报告内容 一 LED发展状况 二 LED发光原理 三 温度和电流对内量子效率 的影响 四 光学设计对外量子效率和 光型的影响 五 总结
根据 Van Roosbrö ck—Shockley关系,物体的发射率为
L（ν ） ≈8π ν 2n2α （ν ）exp(-hν /k BT)/ c2 对于电致发光的LED结型半导体， 频率为ν的光子发射率 L（ν）= nunl Wem = n
i 2
Wem
本征激发载流子密度的平方 n i2=2.32*1030（mp* mn* / m0）3/2T3 exp(-Eg/ k BT) 单位体积辐射越迁几率