功率型白光LED器件光色測量方法淺述

隨著半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，LED以其飽滿光色、節(jié)能、光效高、電壓低、壽命長等優(yōu)勢，已成為全球最熱門、最矚目的光源，特別是近年來LED的發(fā)光效率和亮度正在大幅度提高，LED必將成為應(yīng)用最廣泛的照明光源。如今，LED已經(jīng)滲透到了大量的應(yīng)用場合，尤其是白光LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)越來越普及。

普通照明LED，即白光LED。實現(xiàn)白光的技術(shù)途徑主要有兩條：第一用LED發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)熒光粉，再與熒光粉發(fā)出的“黃光”進(jìn)行混光，最終得到白光;第二采用紅、綠、藍(lán)三基色LED芯片組合生成白光。

LED是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件，它的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)等組成。LED的基本工作原理是一個電光轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)一個正向偏壓施加于PN結(jié)兩端，由于PN結(jié)勢壘的降低，P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子也向P區(qū)擴(kuò)散，同時在兩個區(qū)域形成非平衡電荷的積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，對于PN結(jié)系統(tǒng)，注入到價帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。能量級差大小不同，產(chǎn)生光的頻率和波長就不同，相應(yīng)的光的顏色就不同。

但是注入LED器件的電能中，僅有約15%的電子和空穴為輻射復(fù)合，發(fā)出光子，而大約85%的電能則轉(zhuǎn)化為熱能。LED的熱性能直接影響其發(fā)光效率、波長、正向壓降、反向擊穿電流和器件的使用壽命等。傳統(tǒng)的Φ3mm和Φ5mm的LED器件由于驅(qū)動電流小、發(fā)熱少，熱性能影響不顯著。近年來，隨著功率型LED器件的迅速發(fā)展，LED熱性能的影響越來越明顯，受到人們的普遍關(guān)注。

一、常見LED的光色參數(shù)

1.光通量

光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量，也即輻射功率(或輻射通量)能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。光通量的符號為Φ，單位為流明(lm)。根據(jù)光譜輻射通量Φ(λ)，由下式可確定光通量。

式中V(λ)為相對光譜光視效率，Km為輻射的光譜光視效能的最大值，單位為lm/W，1977年由國際計量委員會確定Km值為683 lm/W(λm=555nm)。

2.光強(qiáng)度

光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向的立體角元dΩ內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟Φ除以該立體角元之商，即

發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉(cd)，1 cd=1 lm/1sr?？臻g各個方向的光強(qiáng)之和就是光通量。

3.顏色參數(shù)

顏色參數(shù)主要包括光譜、色品坐標(biāo)、主波長和色純度、色溫和相關(guān)色溫、顯色性和顯色指數(shù)等，如圖1所示。

目前已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的“白光”LED，其光譜混合是不均勻的，其顏色分布像光強(qiáng)分布曲線一樣，是隨距離和角度的不同而發(fā)生變化的。

二、 LED熱性能測試的參數(shù)及方法難點

LED的熱性能參數(shù)主要是指結(jié)溫、熱阻、瞬態(tài)變化曲線等。LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，LED的熱阻一般是指PN結(jié)到殼體表面之間的熱阻。結(jié)溫是直接影響LED的工作特性的參數(shù)，熱阻則是表示LED散熱性能好壞的參數(shù)。研究表明，LED的熱阻越低其散熱性能越好，相應(yīng)的LED光效一般也越高，壽命越長。檢測熱學(xué)特性的關(guān)鍵在于對LED結(jié)溫的準(zhǔn)確測量，現(xiàn)有的對LED結(jié)溫的測試一般有兩種方法：一種是采用紅外測溫法測得LED芯片表面的溫度并視其為LED的結(jié)溫，但是準(zhǔn)確度不夠;另一種是通過溫度敏感參數(shù)(TSP)獲取PN結(jié)溫，這是目前較普遍的LED結(jié)溫測試方法，其技術(shù)難點在于對測試設(shè)備要求較高。

結(jié)溫高低對LED的光輸出影響顯著，溫度越高，被測LED的工作電壓越小，光通量、光功率都逐漸減小。

三、光色測量方法

1.光通量

目前有兩種光通量測量方法，一種是積分球法，一種是分布光度計方法。

積分球法是一種普遍的使用方法，利用LED的前向發(fā)光特性，有些積分球采用2p結(jié)構(gòu)測量。為了消除光譜匹配誤差，采用光譜輻射分析儀作為接收探頭。為了消除結(jié)溫變化的影響，采用具有恒溫功能的LED測試座裝夾LED樣品(圖2)。積分球方法測量具有速度快、無外界雜散光影響等優(yōu)點，但是由于積分球內(nèi)的擋屏、接縫、球壁開孔、噴涂效果等因素影響導(dǎo)致積分球響應(yīng)不均勻，對于測量LED這種窄光束光源不確定度較大。