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1、第13 章LED的测试,作为照明用的LED，要测试的有电学参数、光度学参数、色度学参数、热学参数、静电耐受性等。,信息科学与工程学院2008届毕业设计论文,问题: A器件的光通量输出为80 lm, B器件的光通量输出是110 lm，这是否说明B器件的性能就比A器件高呢？ 如果A器件的输入功率是1W，而B器件的输入功率是2W呢？,发光器件的效率有几种： 发光效率、功率效率、量子效率等,13.1 发光器件的效率,一、发光效率,发光效率是指单位电功率（W）下输出的光通量（lm）:,式中，I、V分别为器件的直流偏置电流和电压; Pe为输入的电功率;F为此偏置条件下器件输出的总光通量。,13.1 发光器
2、件的效率,二、功率效率,功率效率p是器件将输入功率Pe(W)转变成辐射功率P (W)的效率。,式中, F 和1 分别为器件的总光通量和照明效率;I、V分别是偏置电流与电压。,13.1 发光器件的效率,发光二极管的发光是由正向偏置P-N结注入的载流子复合而产生。但注入载流子的复合并不全是辐射复合，有部分将参与非辐射复合，如多声子过程、表面复合、俄竭复合等。而且载流子辐射复合产生的光也不全部能射出管外。因此，用单位时间内输出光子数和注入的载流子数之比来表示发光二极管的效率，称之为“外量子效率”。,外量子效率：P-N结注入载流子的效率有关，而且还与辐射发光及光子逸出器件外部的效率有关。,式子中 、
3、、 分别为注入效率、内量子效率和光出射效率。,13.1 发光器件的效率,三、量子效率,13.1 发光器件的效率,三、量子效率,(1) 外量子效率e,从有源区产生的光子通过半导体有部分可以被再吸收；还可能由于发生全反射而返回晶体内部，即使是垂直射到界面的光子，由于高折射率而产生高反射率，有相当部分被返回晶体内部。外量子效率为,13.1 发光器件的效率,三、量子效率,(1) 外量子效率e,设ne和nq。分别为单位时间内注入的电子-空穴对数和器件发出的光子数，则外量子效率可以表示成：,如器件输出的辐射功率P=nqhv，注入电子功率Pe=IV=neqV，则外量子效率可以表示成,已知器件峰值波长 ，辐射
4、功率P，偏置电压V 情况下可以求出器件的外量子效率。,13.1 发光器件的效率,三、量子效率,内量子效率是指每注入一个电子在p-n结中所产生的光子数。,(2) 内量子效率i,直接跃迁过程的内量子效率主要取决于非辐射复合与辐射复合的寿命。,13.1 发光器件的效率,三、量子效率,(1) 内量子效率i,电子-空穴对的产生率等于非平衡载流子的复合率(包括辐射复合和无辐射复合)，而复合率又分别决定于寿命r(辐射复合寿命)和nr(无辐射复合寿命)，辐射复合率正比于1/r ，无辐射复合率正比于1/r ,则i为,提高材料的纯度、减少晶体的缺陷，以降低非辐射复合中心，提高内量子效率i。,13.1 发光器件的效
5、率,三、量子效率,(3) 光出射效率u,光出射效率指P-N结辐射复合产生的光子射出发光管外部的百分比。 辐射复合产生的光子通过晶体传输到外部过程中的损耗主要是晶体的吸收和晶体界面的反射，因此，为了提高逸出效率，必须减小吸收损耗和增加界面的透射率。,13.2 电学参数,伏安特性,流过PN结的电流随电压（正反向电压）变化的特性。,13.2 电学参数,对于LED器件，一般常用的电学参数主要有：反向击穿电压、反向漏电流、正向电压、正向电流和等。,伏安特性,（1）反向击穿电压 当反向偏压一直增加使V大于VB时，则反向电流突然增加而出现击穿现象。由于所用半导体化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压也
6、不同。,伏安特性,13.2 电学参数,（1）反向击穿电压 VB表示器件反向耐压高低的参数，通常是指一定漏电流下器件两端的反向电压值。 漏电流的标准可取10A, 合格器件的VB通常大于5V,一般在10-25V之间。,伏安特性,IR 指在给定反向电压下流过器件的反向电流。按LED的规定，习惯指反向电压在5V是的反向漏电流。,伏安特性,（2）反向漏电流,13.2 电学参数,VF标志着结的体电阻及欧姆接触串联电阻的高低，它可在一定程度上反应电极制作的好坏。其值视LED器件所用的半导体材料的不同而不同，一般在1.4V至4V之间。,伏安特性,(3) 正向电压VF,在指定正向电流下器件两端的正向电压值。所取
7、的正向电流一般均较大，通常处于器件工作的大信号区，如10-30mA。,伏安特性,(4) 正向电流,F指驱动发光二极管正常工作的额定正向激励电流。根据实际情况，LED具有最大正向电流IFm，实际电流IF 0.6 IFm ，与亮度成比例关系。,伏安特性,(4) 正向电流,有时为了反映正向电流上升的快慢，可以测量一电压增量VF下的电流增量IF ，用VF/IF来表示上升的梯度。,正反向电性的测量,正向电性能：采用恒流源供电，根据设定的电流自动调节输出正向工作电流，并测出LED两端的正向电压和流过LED的正向电流。,13.2 电学参数,正反向电性的测量,13.2 电学参数,反向电性能：采用恒压源供电，增
8、加恒压源电压，监测流过LED的电流,当电流达到设定的反向漏电流值时，此时的电压即为反向击穿电压; 根据设定的反向电压调节恒压源，测出流过LED的反向漏电流。,1、正向电压VF一般： 红、黄、黄绿=VF值在1.8-2.5V 蓝、绿、紫=VF值在2.7-4.0V。,正反向电性的测量,IF 值通常被设为一个测试条件和常亮时的标准电流；设定不同的值用以测试二极管的各项性能参数。IF 特性： 以正常的寿命讨论， 通常标准 IF值设为 20 30mA ；,正反向电性的测量,2、正向电流 IF, IF增大时 LAMP 的颜色、亮度、 VF 特性及工作温度均会受到影响，它是正常工作时的一个先决条件；IF值增大
9、：寿命缩短、 VF值增大、波长偏低、温度上升、亮度增大。,正反向电性的测量,2、正向电流 IF,VR 特性： VR 是衡量 P/N 结反向耐压特性，VR 赿高赿好； 如果VR 值较低，在电路中使用时,反向脉冲电流容易击穿变坏； VR又通常被设定一定的安全值来测试反向电流值，一般设为 5V ； 、红、黄、黄绿等四元晶片反向电压可做到 20 40V ，蓝、纯绿、紫色等晶片反向电压只能做到 5V 以上。,正反向电性的测量,3. 反向击穿电压,LED加上反向电压时, 用较精密的电流表测量时，还是有很小的电流，只不过它不会影响电源或电路所以经常忽略不记，认为是 0 。 IR 特性： IR 是反映二极管的
10、反向特性， IR 值太大说明 P/N 结特性不好，快被击穿； IR 值太小或为 0 说明二极管的反向很好； 通常 IR值较大时 VR 值相对会小， VR 值较小时 IR 值相对会大；,正反向电性的测量,4. 反向电流 I R,LED电流电压关系,不同颜色的LED电压电流特性不同,LED电流与亮度关系,LED在可使用的电流范围内发光亮度随着电流的增加而增强。,低电流使用时电压线性变化不明显应用范围：车用仪表板指示灯、开关灯、音响指示灯,低电流使用LED,光通量（）发光强度（I）亮度（L）照度（E）发光效率（）主波长（d）峰值波长（p）色纯度（Purity)红色比（Red ratio）色温（Tc）
11、显色指数（Ra）等。,13.3 光度学参数,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。光强的单位是坎特拉cd，也称烛光。如：1单位立体角度内发出1流明的光称为1坎特拉(1cd）。,如果在d立体角范围内传递的光通量为d，那么,光强度、光照度和光亮度的区别？,发光强度的单位是坎德拉Candle,记作Cd。,发光强度为1cd的光源,可放射出l2.57, 即4 lm光通量。 ,光强度、光照度和光亮度的区别？,光照度：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d除以该面元的面积dA。光照度的公制单位是lx（lm/m）。,投射在受照面上的 ds 面
12、元上总的光通量 d 与该面元的比值,光强度、光照度和光亮度的区别？,光照度的单位是lux。称为勒克斯，记作lx。勒克斯=流明/平方米,一般而言：桌面、工作面的照度不应少于150 lx。起居室的照明采用光线柔合的照明灯具较理想，其平均照度应达到l00 lx左右。阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200 lx。 ,光强度、光照度和光亮度的区别？,光亮度：在给定方向上，每单位面积上的光强度;单位为cd/m。,i为发光元面积ds的法线N和元立体角d的方向的夹角,实验表明：光通量di与元立体角d及元面光源ds在该方向垂直平面上的投影dscos i成正比,即,L为光亮度。,光强度、光照度和光亮度的区
13、别？,发光效率,单位:lm/w 符号: 定义:LED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：,Total Optical Power (W),主波长,如图所示的色坐标，图中AB为黑体轨迹。设F点为某一光源在色品图中的坐标，E点为理想等能白光的参考光源点，坐标为(x,y)=(0.33,0.33)。由E点连接F点并延长交于G点，则G点对应的单色光波长即称为F点光源的主波长。,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。,主波长D ：主波长是人眼能观察到的，由LED发出的主要单色光的波长。若已获得被测光的色度坐标，那
14、么CIE1931色度图上由E光源的色坐标点向该测光源的色坐标点引一直线，延长直线与光谱轨迹相交的波长值即称之为该被测光源的主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有1个。,主波长与峰值波长有什么区别？,峰值波长p ：光谱辐射功率最大的波长。一般芯片厂家提供的是主波长。,红色比（R）,红色比一般用来表征白光LED的色彩效果，是指LED红光成分（ ）占整个可见光光谱（ ）的量。即： 式中 为光谱功率分布函数， 为视见函数。,a.显色性：人眼在不同光源的照明下看到物体色会改变，感到物体颜色失真，这种影响物体颜色的特性称为光源的显色性。显色性好的光源照明下，则物体颜色失真小。光源的显色性由C
15、RI表示，它表征了物体在光下颜色比基准色（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特征。b.显色指数：在相应的色温情况下确立表征在特定条件下经某光源照射的物体所产生心理感官颜色与物体在标准光源照射下的心理感官相符合的程度的参数。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，并规定了14种测试用的标准用品，各类光源的显色指数各不相同。c.相关色温：光源发射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相关色温，单位为K。 显色指数越高，其显色性越好；色温越高，偏蓝色，人的感觉越清爽；低色温光源照射，偏红色给人一种鲜艳温暖感.,显色性、显色指数和相关色温各指什么，
16、有什么联系？,发光角度,半强角度指的是LED光源中心法线向四周张开，中心光强I衰减50%之间的夹角，即为半强角度，如图所示。,光强与发光角度的测量,光源的半强度角：,. LED 发光视角,半值角1/2和视角：1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。,新标准下的测量方法,LED光强依赖于测量距离,LED光强依赖于测量立体角,LED光强还依赖于光轴与机械轴之间的偏差,13.6 热学参数（结温、热阻）,LED 结温的变化会影响其光通量、颜色和正向电压等的变化，还会影响器件的效率和寿命； 而热阻的大小对功率LED的发光效率和寿命尤甚。,一
17、般工作在小电流IF10mA，或者1020 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p 就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。LED的主波长随温度关系可表示为：p（ T）=0（T0）+Tg0.1nm/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。,13.6 热学参数（结温、热阻）,影响LED结温的各个因素：,结温Tj:90-120热沉-PCB板温度Tc:75左右PCB板-散热片温度Tb:60-70环境温度Ta:45-55(1w大功率）,LED電流與溫度關系,LED在特定的電流下可承受的環境溫度,溫度對LED的影響,隨著溫度的升高，led光強會衰減，波長會變長，電壓會下降在超高亮度和功率型LED器件及陣列組件中，不合理的結構設計將導致P/N結的溫度升高，嚴重影響到LED的性能使用壽命和可靠性,
