LED光学特性
LED常用术语
发光二极管依据所发射的光线辐射不同，可以分为可见发光二极 管、红外发光二极管、紫外发光二极管三种。一般我们所指的发
光二极管是指可见发光二极管。
波长示意图可见光波长： （380——780nm）
术语：光通量 Φv
LED光学窗口中每秒钟所发出的光量的 总和。
注1：光通量用单位流明（Lumen，简写Lm）计量表示，如：12Lm； 注2：光通量表示发光体LED发光的多少，发光愈多流明数愈大。
2、黑体在加热的情况下，会辐射出不同的颜色（如将铁器加温， 将由铁本色转变为红色），随着温度升高、光色也随着改变，黑体辐射 光色依次显示由红——橙红——黄——黄白——白——蓝白的过程。黑 体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色 温度，称色温，以绝对温K（Kelvin，或称开氏温度）为单位 （K=℃+273.15）。
立体角
将弧度表示平面角度的定义“弧长除以 半径”，扩展到三维空间中，即：立体 角的定义为“球面面积与半径平方的比 值”。
光强示意图
单位立体角
特定角度
45º
术语：半强度角θ1/2
在发光强度空间分布图形中，最大发光强度大 于最大强度一半时构成的角度。如图：
最大发光强度
最大发光强度 的1/2
术语：色温 T
术语：ＬＥＤ
是英文Ｌight Emiting Ｄiode的简写，中文译作发光二极管，发光二极管，是一种固态的 半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附 在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半 导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导 体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。 当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然 后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形 成P-N结的材料决定的。
LED的电学、热学及光学特性研究
LED的电学、热学及光学特性研究1. 简介众所周知，LED的有效光辐射（发光度和/或辐射通量）严重受其结温影响（如图一所示，数据来源于Lumileds Luxeon DS25 的性能数据表）。
（点击图片查看原图）图1：一组从绿光到蓝光以及白光的LED 有效光辐射随结温的变化关系单颗LED 封装通常被称为一级LED，而多颗LED 芯片装配在同一个金属基板上的LED 组件通常被称为二级LED。
当二级LED 对光的均匀性要求很高时，结温对LED 发光效率的影响这个问题将十分突出[1]。
文献[2]中提到，可以利用一级LED 的电、热、光协同模型来预测二级LED 的电学、热学及光学特性。
前提是需要对LED 的散热环境进行准确建模。
本文第2 节中我将讨论怎样通过实测利用结构函数来获取LED 封装的热模型，并将简单描述一下我们用来进行测试的一种新型测试系统。
第3 节中，首先我们回顾了电-热仿真工具的原理，然后将此原理扩展应用到板级的热仿真以帮助优化封装结构的简化热模型。
在文章的最后我们将介绍一个应用实例。
2. 建立LED 封装的简化热模型关于半导体封装元器件的简化热模型（CTMs）的建立，学术界已经进行了超过10 年的讨论。
现在，对于建立封装元器件特别是IC封装的独立于边界条件的稳态简化热模型（CTMs），大家普遍认同DELPHI 近似处理方法[3][4][5]。
为了研究元器件的瞬态散热性能，我们需要对CTM 进行扩展，扩展后的模型称之为瞬态简化热模型（DCTMs）。
欧盟通过PROFIT 项目[7]制定了建立元器件DCTM 的方法，并且同时扩展了热仿真工具[6]的功能以便能够对DCTM 模型进行仿真计算。
∙当CTM 应用在特定的边界条件下或者封装元器件自身仅有一条结-环境的热流路径，则可以用NID（热阻网络自定义）方法[8]来对元件进行建模。
2.1 直接利用测试结果建立LED 封装的模型仔细研究一个典型的LED 封装及其典型的应用环境（图2），我们会发现，LED 芯片产生的热量基本上是通过一条单一的热流路径：芯片-散热块-MC PCB基板，流出LED 封装的。
led测试原理
led测试原理
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是一种基于半导体
材料的发光装置，其测试原理是通过注入电流使LED发光，
并测量发光的亮度和电性能。
LED测试通常分为两个方面：电气特性测试和光学特性测试。
电气特性测试主要包括电流测试、电压测试和反向电压测试。
在电流测试中，用电流计测量通过LED的电流，通常以毫安（mA）为单位。
电压测试则是测量LED引脚之间的电压，常以伏特（V）为单位。
反向电压测试则是检测LED的反向电
压能否达到一定限值，以确定其抗反向击穿能力。
光学特性测试主要包括光通量测试、光强度测试和色度测试。
光通量测试是测量LED单位时间内辐射出的总光功率，以流
明（lm）为单位。
光强度测试则是测量LED在某一方向上的
光输出强度，以坎德拉（cd）为单位。
色度测试是用来确定LED发光色彩的特性，通过测量颜色的三个参数：色温（K）、色坐标（x，y）或色容度来描述。
在LED测试过程中，需要使用专业的测试设备，如多用途半
导体参数测试仪（SMU），光度计以及色彩分析仪等。
这些
设备可以测量LED的电气特性和光学特性，并对其性能进行
评估。
通过LED测试可以确保LED的质量和性能符合预期要求，对
于LED的生产和应用具有重要意义。
LED的光学特性及热学特性
主波长
有的Ｌ Ｄ Ｅ 发光不单是单一色 ，即不仅有一个峰值 波长 ；甚至有 多个 峰值 ，并非单色光 。为此描述Ｌ Ｄ Ｅ
Ｇ ｔｎ ｅ ｏｔ ｆ ｔｅ 追 根溯 源 ｅｔ ｇｔ ｏ ｔｒ ｉ ｈ Ｒ Ｏ Ｍａ
＞＞ ＞
发光峰值波长及其光谱 分布
Ｌ 发 光强 度或 光功率 输 出随 着波长 变化 而不 ＥＤ
ＬＤ Ｅ 单色性的参数 。Ｌ Ｄ半宽小于４ ｍ。 Ｅ ０ｎ
同，绘成一条分 布曲线—— 光谱分布 曲线 。当此 曲线 确定之后 。器件 的有 关主波长 、纯度等相 关色度学参
发光 效率和视觉灵敏 度
成光能 的效率 ）与外部 效率 （ 辐射到外部 的效率 ）。
前者只是 用来分析 和评 价芯片优 劣的特性 。Ｌ Ｄ光电 Ｅ
分 ，总的发光效率应 为 Ｔ＝ ｉ１ ，式 中 １ Ｔｅ ＴＣ １
结 为在势垒 区少 亍 ① ＬＤ Ｅ 效率 有内部效率 （ ｎ ｐ 结附近 由电能转 化 Ｐ、ｎ 区少子注入效率 ， ｃ 复合效率 ， ”ｅ 为外部 出光 【 光取出效率 ） 效昌 由于Ｌ Ｄ材料折射率很 高 Ｔｉ ．。当 Ｅ １ ３６
性 ，发 光 光 强 指 向 特 性 、时 间 特 性 以及 热 学 特 性 。
天键 谢 ：Ｌ ＥＤ光学 Ｌ Ｄ热学 特 性 Ｅ
Ｉ
Ｅ 是利用化合物材料制成Ｐ 结的光电器件。 Ｄ ｎ
发光法向光 强及其角分布１ ０
发光强度 （ 向光强 ） 法 是表征发光
Ｉ 它 备 ｎ 结 器 电 特 Ｉ 特性 具 ｐ结 型 件的 学 性：— Ｖ 、
led光学测量标准
led光学测量标准
LED光学测量标准是指对LED的光学特性进行测量和评估所遵循的一系列标准。
这些标准通常包括光度测试、色度测试、光强测试、光谱测试等方面，以确保LED产品的质量和性能符合相关要求。
具体来说，LED光学测量标准包括以下几个方面：
1.光度测试：测量LED的光通量、光效、光强等光度参数，以评估LED的光输出性能。
2.色度测试：测量LED的色度坐标、色温、主波长等色度参数，以评估LED的颜色性能。
3.光强测试：测量LED的光强分布、光束角、三维光强分布图等光强参数，以评估LED的光强分布性能。
4.光谱测试：测量LED的光谱功率分布、相对光谱功率分布等光谱参数，以评估LED的光谱性能。
此外，在进行LED光学测量时，还需要遵循相关的测试标准，如国际标准ISO 8980-1和国家标准GB/T 24824等。
这些标准规定了测试方法、测试条件、测试设备等方面的要求，以确保测试结果的准确性和可靠性。
LED的电学、光学及热学特性
Ｇ ｔｎ ｅ ｏ ｔ ｆ ｔ ｒ 簪溯 源 ｅｔ ｇ ｈ ｏ ｅ 追 ｉ ｔ Ｒ Ｏ Ｍａ ｌ
》＞》
Ｃ— 特性 呈二次函数关系 。由１ Ｖ ＭＨＺ 交流信 号用 Ｃ— 特性测试仪测得。 Ｖ
特性
Ａ发 光 法 向光 强 及 其 角 分 布 ． Ｃ． 大 允 许 功 耗 最
（ 反 向击穿 区 Ｖ＜一 Ｖ ，Ｖ 称为反向击穿 ４） Ｒ Ｒ 电压 ；Ｒ 电压对应 ｌ Ｒ为反 向漏电流 。当反 向偏压 一 直增加使Ｖ＜一 Ｖ 时 ，则 出现 ｌ 突然增 加而 出现击穿 Ｒ Ｒ
现象。 由于所 用化合物材料种类不 同 ，各种Ｌ Ｄ的反 Ｅ
向击 穿 电压 Ｖ 也 不 同 。 Ｒ
（ ２）正 向 工作 区 ：电流 ｌ 与 外加 电 压 呈指 数 Ｆ
关 系
Ｉ Ｓ（ Ｖ ／Ｔ 一１１ 反 向饱 和 电流 。 Ｆ：Ｉ ｅｑ ＦＫ ） Ｓ为
Ｖ＞０ ，Ｖ＞ＶＦ 时 的正 向工作 区ｌ Ｆ随ＶＦ 指数上升
９ 疑糯皿 ０ １ ２ １ Ｗ ｎ ｚ ｚ ｃｒ ２ ０ ０ ０Ｉ Ｗｃ － ｇ ｍ． ｎ ／ Ｗ ｏ
为０ Ｖ，Ｇａ Ｎ为１ ｕ 。 ０ Ａ
ＩＶ 性具有 非线性 、整流 性质 ：单 向导 电性 ，即外 —特
加正偏压表现低接触 电阻 ，反之为高接触 电阻。 （１） 正 向死 区 ： （图０ 或 ０ 段 ）ａ ａ ａ 点对 于
Ｖ 为开 启 电压 ， 当Ｖ＜Ｖａ 外 加 电 场 尚克 服 不 少 因 ０ ，
Ｇ ｔ ｎ ｅ ｏ ｔ ｆ ｔｅ 追 褫 溯 源 ｅｔ ｇｔ ｏ ｔｒ ｉ ｈ Ｒ Ｏ Ｍａ
》＞＞
ＬＤ 电学 ～光学及 热学特性 Ｅ的
ＬＥＤ ＥＬＥＣ ＴＲＩ Ｉ Ｃ ＴＹ 、 ＯＰＴＩ ＣＳ ＡＮＤ ＨＥＡＴ ＰＲＯＰＥＲＴＹ
LED的光学特性
LED作为一个光源，LED电源工厂的光学参数包括光和辐射在空间分布的能量参数、光和辐射能量的光谱分布参数及它们在人眼中所引起的心理响应。
LED的光学特征参数包括:光通量、发光强度、相对光谱功率分布特性、峰值波长和峰值波长半宽度等，这些都是衡量LED作为一个光源的发光特性的主要参数.2.3.1相对光谱功率分布LED的相对光谱功率分布是在其光辐射波长范围内(u]，各个波长的辐射功率分布情况.常采用光谱辐射计进行测量.在实际场合中通常用相对光谱功率分布来表示。
光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布.以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布.称为相对光谱能量(功率)分布PM.光谱波长丸为横坐标，相对光谱能量分布PM为纵坐标，就可以绘制出光源相对光谱能量分布曲线.知道了光源的相对光谱能量分布，就知道了光源的颜色特性.反过来说，光源的颜色特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的绝对值无关。
绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色的变化.人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明协会(CIE)根据标准观侧者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以记录在RGB系统的墓础上采用设想的三原色X. Y, Z(分别代表红色，绿色和蓝色)，建立了CIE-1931色度图，同时将匹配等能光谱各种颜色的三原色数据标准化，确定了“CIE1931-XYZ标准色度学系统”.计算出三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线，如图(12]2一所示，将人眼对可见光的刺激值以XYZ表示.根据此配色函数，后续发展出数种色彩度量定义.使人们得以对色彩加以描述运用.LED的光谱功率分布的测试需要通过分光进行，将各色光从混合的光中区分出来进行测定，采用棱镜和光栅实现分光·对于实现了空间分离分布的各个波长的光，一般用单色仪各个波长逐个采集或线阵CCD全波段一次采集的方法得到整个光谱功率分布曲线.。
LED光学特性
LED光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。
1．发光法向光强及其角分布Iθ1）发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。
LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。
当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。
发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。
2）发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。
它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）⑴为获得高指向性的角分布（如图1）①LED管芯位置离模粒头远些；②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；③封装的环氧树脂中勿加散射剂。
采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右，大大提高了指向性。
⑵当前几种常用封装的散射角（2θ1/2角）圆形LED：5°、10°、30°、45°2．发光峰值波长及其光谱分布1）LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。
当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。
LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。
LED光谱分布曲线1蓝光InGaN/GaN2绿光GaP:N3红光GaP:Zn-O4红外GaAs5Si光敏光电管6标准钨丝灯①是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰λp=460～465nm；②是绿色GaP:N的LED，发光谱峰λp=550nm；③是红色GaP:Zn-O的LED，发光谱峰λp=680～700nm；④是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰λp=910nm；⑤是Si光电二极管，通常作光电接收用。
无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。
led透镜的原理
led透镜的原理
LED透镜的原理是利用透镜的光学特性来控制和改变LED发
出的光线的方向和散射特性。
LED透镜通常采用凸透镜的形式，它能将从LED发出的光线聚焦在一定的范围内，使光线
更加集中和集中于一个特定的区域。
透镜通过光的折射原理来实现光线的聚集。
当光线从空气进入透镜材料时，由于光在介质中传播的速度与空气中的速度不同，光线会发生折射。
透镜的曲率和形状可以确定光线的折射角度和方向。
LED透镜的设计要考虑到目标应用的需求，例如，需要将
LED发出的光线集中到一个特定的区域，或者需要增加LED
的亮度和强度。
透镜的形状、曲率和材料的选择都会对光线的聚焦效果产生影响。
透镜的凸面会使光线向透镜的中心凝聚，而凹面会使光线向透镜的边缘散开。
透镜的曲率半径越小，聚焦效果越强，光线的散射角度越小。
除了凸透镜，还有一些其他的设计，例如球面透镜、非球面透镜等，都可以实现不同的光线控制效果。
总的来说，LED透镜利用光的折射原理，通过控制透镜的形状、曲率和材料，将LED发出的光线聚集在一个特定的区域内，改变光线的方向和散射特性，从而达到更好的照明效果。
LED的各种特性
LED的各种特性在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。
由于LED工作电压低（仅1.5-3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式与LED显示方式匹敌。
LED电子显示屏是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如左图：(1) 正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不了因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 为反向饱和电流。
V＞0时，V＞VF的正向工作区IF 随VF指数上升 IF = IS e qVF/KT （3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜- VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。
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LED光学特性、LED热学特性、LED电气特性
LED光学特性：
LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+2~3A/.LED发光亮度L与正向电流近似成比例：K为比例系数。
电流增大，发光亮度也近似增大。
另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。
LED热学特性：
小电流下，LED温升不明显。
若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。
尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显着。
所以散热设计很关键。
LED电气特性：
电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。
在实际使用中，应选择。
LED正向电随温度升高而变小，具有负温度系数。
LED消耗功率，一部分转化为光能，这是我们需要的。
剩下的就转化为热能，使结温升高。