LED 光源的光强角度分布实验研究

陕西理工学院毕业论文题目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______完成地点陕西理工学院陕西理工学院毕业论文第1页共15页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）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。[关键字]LED，发光原理，光强角度分布引言发光二极管(LightEmittingDiode,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。1LED的简述1.1LED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]。陕西理工学院毕业论文第2页共15页1.2LED的发光机理和主要技术从参数1.2.1LED的发光原理LED（LightEmittingDiode，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1.1LED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。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InGaNLED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、陕西理工学院毕业论文第3页共15页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]。1.2.2LED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。(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VR0.6VRm。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]。2LED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。2.1LED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。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陕西理工学院毕业论文第4页共15页相似的输入伏安特性曲线。图2.1LED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uA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。2.2LED光学特征参数2.2.1立体角在进行理论计算和推导时常离不开立体角，它描述辐射能向空间发射、传输或者被某一表面接收时的发散或者会聚的角度。图2.2立体角定义为：以锥体的基点为球心做一表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积ds和球半径r平方比，如图2.2所示。表达式为：陕西理工学院毕业论文第5页共15页ddrdrrdrdsdsinsin22（2.1）式中，为光线与z轴的夹角，表示光线和z坐标轴组成的面与XZ平面的夹角。立体角的单位是球面度（sr）。对于半径为r的球，其表面积等于24