LED 光源的光强角度分布实验研究

2 LED 基础知识
上一章节已经简要说明了 LED 主要技术参数，对于本次实验的 LED 电学特征参数和光学特征 参数将在本章进行详细说明。 2.1 LED 的电学特征参数
LED 的电学特征参数主要包括正向电流 IF，正向电压 VF，反向电流 IR 和最大反向电压 VR， 这是衡量一个 LED 是否能够正常工作的最基本的判据。从电参数方面来看，正向工作电流是发光二 极管正常发光时的正向电流值，LED 必须是在 P-N 结正向偏置的条件下工作，这时的出射光的能量 是正向电压 V 和正向电流 I 的函数，而且 LED 的光辐射主要取决于通过 P-N 结的电流，但 LED 的 P-N 结中的过大的电流密度会引起部分过热从而破坏 LED 管芯的晶格结构，超过最大结温，会造成 LED 毁损的灾难性的后果，因而必须限制通过 LED 的驱动电流。
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GaP 的蓝 LED、绿 LED、红 LED 构成其发光芯片这样就可以获得一个全彩色的发光[3]。 1.2.2 LED 的主要技术参数
LED 的主要技术参数有三个方面：电学、光度学和色度学。本文主要说明电学、光度学参数， 下面将衡量 LED 性能的包含在这三个方面的不同参数分别予以介绍。
目前,LED 合成白光的方式主要有三种类型:单芯片型、双芯片型和三芯片型,其中单芯片型 LED 按照发光材料的不同又可分为以下几种:InGaN/YAG 蓝色 LED,它是用蓝色光激励 YAG 荧光粉发出黄色 光,组合成耳机色白光 LED,应用广泛。InGaN/荧光材料蓝色 LED,它是在蓝色光下使用蓝、绿、红三 种荧光粉组合成三基色的白光 LED。ZnSe 蓝色 LED,它是从薄膜发出蓝色光使基板被激励发出黄光复 合成的白光 LED。InGaN/荧光材料紫外 LED,它是用 InGaN LED 发出的紫外光激励三基色荧光粉发出 白光的。现阶段常用的的双芯片型 LED 是以发光材料为 InGaN 和 GaP 的青 LED 和黄绿 LED 构成其芯 片的,该 LED 是利用互补的关系将双色 LED 封装在一起。而三芯片型 LED 采用发光材料为 InGaN、Alln、
指导教师：贺雅奇
[摘要]LED 作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用，无论是在照明领域还是在其他领域都离不开基础
的技术支持。本文基于 MXY8201 综合测试系统，通过对红光和绿光 LED 光源的伏安特性的说明，综合测量 LED 光学 元件的发光强度随角度的分布规律，提出并验证 LED 光源的发光角度规律。使其在生产生活中能达到人们所需的要 求，更好的利用，得到进一步的发展。
(1)相关电参数 正向电流：驱动发光二极管正常工作的额定正向激励电流。LED 标准的驱动电流 20mA。 正向电压：通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。 反向电压：由反向电流通过，从而在两极间产生的电压降。LED 工作有最大反向电压 VRm，超 过此值时，LED 可能被击穿损坏，一般要求为 VR<0.6VRm。 反向电流：二极管在规定的温度和最高反向电压工作下，流过二极管的反向电流。反向电流越 小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高 10， 反向电流增大一倍。 （2)相关光学参数 发光效率：LED 的发光效率表征器件电光转换的能力，一般用流明效率表示，即：发出光的总 光通量与加在 LED 两端的电功率。 峰值波长：光谱发光强度或辐射功率最大处所对应的波长。它是一个纯粹的物理量，一般应用 于波形比较对称的单色光的检测。 光通量：发光体每秒钟所发出的光量的总和。 发光强度：光源在单位立体角内发出的光通量,也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分 布的密度。 照度：被光均匀照射的物体，距离该光源 1 米处，在 1 平米面积上得到的光通量是 1 流明时， 它的照度是 1 勒克斯。 亮度：表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面 的面积之比。 （3)相关色度学参数 色度坐标：表示某一特定颜色组成的一种数学方法，任一颜色均可由三原色匹配，而红、绿、 蓝某一特定颜色的色度坐标 r，g，b，r+g+b=l，常用 r，g，b 表示一个颜色。 色温：色温是人眼对发光物体的一种感觉，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。低色温光源在能量分布中，红辐射 相对多些，就是我们通常所说的暖光,提高色温，能量集中分布，蓝色辐射增加，称为冷光[4]。
正向工作电压是在给定正向工作电流情况下得到的器件的电压值。最大反向电压 VRm 为器件允 许加的最大反向电压，超过此值，器件可能被击穿。
LED 是利用半导体材料制成 p-n 结发光器件，电学特性是衡量 LED 性能的主要物理量，它包括 正向电压、反向饱和电流以及伏安特性等，这些物理量反映了 LED 的内部结构的变化和质量水平的 高低。图 2.1 所示为 LED 工作的电流一电压(I-V)特性曲线图。发光二极管具有与一般半导体二极管
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题目
LED 光源的光强角度分布实验研究
学生姓名
张洲
学号 1210014017
所在学院
物理与电信工程学院
专业班级
物理学(师范类)1201
指导教师
贺雅奇
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完成地点
陕西理工学院
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LED 光源的光强角度分布实验研究
张洲
（陕西理工学院物理与电信工程学院物理学专业 1201 班，陕西 汉中 723000）
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1.2 LED 的发光机理和主要技术从参数 1.2.1 LED 的发光原理
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是一种半导体元器件。发光二极管根据封装不同 其组成成分不同，但不管何种封装，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。它是一种将电能转化成光能的半导体，改变了白炽灯钨丝发光和节能灯三基色粉发光的原理， 而采用电场发光（EL）。其中 p 型半导体（一般掺Ⅲ主族元素）里面占主导地位的载流子是空穴,n 型半导体（一般掺Ⅴ主族元素）里面占主导地位的载流子是电子。当这两种半导体接触一起时，在 接触界面附近 P 区的空穴向 N 区扩散，同时 N 区的电子向 P 区扩散，因此接触界面处的载流子消失, 只剩下带电的固定离子,这些离子形成空间电荷，电场方向由 N 区指向 P 区，该电场抑制了载流子的 进一步扩散，达到平衡,此空间电荷区也称为“P-N 结”。当在晶片上通正向电压时，即 P 端接正极,N 端接负极，则电子从 N 区向 P 区漂移，同时空穴从 P 区向 N 区漂移，电子和空穴将在空间电荷区 复合后消失同时以光的形式释放出能量,这就是我们所看到的 LED 发光。从能级上讲，当晶片通电时， 价带中的空穴和导带中的电子发生复合时，电子就会从高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以 发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象，如图 1.1 所示为 LED 发光原理图。PN 结发出的光子 没有确定的方向,因此向各个方向发射，PN 结半导体材料的折射率比空气的折射率高,半导体内部发 出的光子只有极少数的光子能够逸出半导体材料与空气的界面,大多数都被反射回到半导体的内部, 最终被吸收。可以把逸出效率描述为逸出发光二极管的光子数与 PN 结产生的光子数之比。可以通过 选择不同的封装几何形状与封装材料来提高逸出效率，使其更好的得以应用。值得一提的是，当半 导体中的元素不同时，LED 将发出不同颜色的光。
图 1.1 LED 的发光原理图
单色 LED 是由砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体制成的,核心是 PN 结。 因此,LED 具有一般 PN 结的特性,即正向导通,反向截止,击穿特性。发光二级管属于固体发光,在正 向电压下,空穴由 P 区注入 N 区,电子由 N 区注入 P 区。注入对方区域的少子与多子复合而发光。白 光 LED 的出现加速了半导体照明,现阶段,随着白光 LED 的发展,越来越多的室内室外照明都采用了白 光 LED。要想得到连续光谱的白光,必须以其他的方式合成白光,这是由半导体材料的发光机理决定 的。
[关键字] LED，发光原理，光强角度分布
引言
发光二极管(Light Emitting Diode,LED)作为第四代光源应用在普通照明领域,同白炽灯、荧光 灯等传统光源,无论是发光的原理,还是发光的特性,甚至包括照明光源的结构和驱动等都有显著差 别,对于 LED 光源的光强角度分布研究,必须针对其特殊的发光特性,采用相应的测试方法和技术，由 于目前缺乏明确的技术标准等,造成技术发展上的滞后,暂时往往借鉴的是传统光源的测试手段,把 LED 看作是一个点光源,实际上是回避了 LED 光源测试方面存在的一些技术难题,并不能真正反映 LED 半导体照明光源的发光特性。一些研究报告也提出,对于 LED 来说,配光曲线和光强空间分布存在区 别由 LED 是一种谱带较宽、角发散较大的非相干光源。由于 LED 结构简单、易调制、可靠性好,且 对温度不甚敏感,从仪器设备的指示到空间照明 LED 广泛应用在生产生活的各个领域。
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相似的输入伏安特性曲线。
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图 2.1 LED 伏安特性曲线
OA 段：正向死区 为开启 LED 发光的电压。红色(黄色)LED 的开启电压一般为 0.2~0.25V，绿色(蓝色)LED 的开启电压一般为 0.3～0.35V。 AB 段：工作区 在这一区段，一般是随着正向电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段 内要特别注意，如果不加任何保护，当电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压会减小， 而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。 OC 段：反向死区 发光二极管加反向电压是不发光的(不工作)，但有反向电流。这个反向电流通常很小，在小于反 向击穿电压的范围内，一般在几 u A 之内。 CD 段：反向击穿区 当反向偏压一直增加使其到达反向击穿区时，则出现反向漏电流突然增加而出现击穿现象。由 于所用化合物材料种类不同，各种 LED 的反向击穿电压也不相同。 2.2 LED 光学特征参数 2.2.1 立体角
1 LED 的简述
1.1 LED 发展的历史和现状 20 世纪初人们第一次在碳化硅中观察到电致发光现象，由于发出的黄光过暗，且不适用实际应
用因此被搁置，随着电流的广泛使用，在 20 世纪 60 年代应用半导体 PN 结的发光原理制成的第一只 发光二极管问世。早期所用的材料以 GaAsP 发红光(65Onm)为主,在驱动电流 20mA 时,光通量只有千 分之几流明(lm,光通量单位),发光效率只有 0.1lm/W,只能做指示灯。到 20 世纪 70 年代,材料研究 不断深入,引入了 In 和 P,使 LED 能够产生绿光(555nm)、黄光(590nm)和橙光(610nm),光效提高到 1lm/W,应用进入显示领域。80 年代以后,出现了 GAaIAs 的 LED,其封装技术也逐步提高,红、黄色 LDE 光效可达 10lm/w。90 年代初,发红光、黄光和发绿光、蓝光两种新材料开发成功,使 LDE 光效得到大 幅度提高。1993 年日本日亚化学公司率先在蓝色氮化稼 LED 技术上突破并很快产业化,进而于 1996 年实现白光 LDE 之后,1998 年推向市场,为 LDE 找到了照明的新舞台。白光 LDE 得到了迅速发展,并 在普通照明领域显示出良好的应用前景[1]。与传统光源相比,单个的 LED 发出的光比较弱，只能照亮 近处的物体，为了达到有效照明的目的，人们把许多的 LED 排放在一起，行成 LED 阵列，这样就能 很好的利用在照明领域，发光效率还有很大的提升空间,因此 LED 在照明领域中的应用具有很好的前 景。目前市面上己经出现了很多 LED 照明应用类产品如:路灯、隧道灯、室内照明灯等,其技术的发 展非常迅速尤其是大尺寸的 LED 背光技术发展势头迅猛持续，但也存在着许多的挑战如：光通低、 价格高、显色性差、光衰问题、光学系统问题、散热问题等。相信,随着 LED 行业技术的发展以及 LED 应用的推广和深入,其成本会不断下降,技术参数会进一步提高,在各领域的应用也会变得越来越 广泛[2]。