LED的光輸出效率

1、海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集LED的光輸出效率萬文才劉宇朱紹龍（復旦大學電光源研究所）摘要：運用菲涅耳折射反射公式，首先計算從LED芯片出射到封裝材料中的配光曲線，以及 這一界面的光輸出效率；其次計算了封裝材料與空氣界面的出光效率；并由此得到簡單封裝 形狀LED的封裝材料折射率對光出射效率的影響。關鍵詞；LED;配光曲線；效率；光出射效率LED被認為21世紀很冇前途的照明新光源。作為繼白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電 燈Z后的第四代光源，I汨有著極其光明的發(fā)展前景，它具有功耗小、壽命長、體積小、發(fā) 熱低、堅固耐用等特點；LED在顏色種類、發(fā)光功率和性價比上都還有上升空間，現(xiàn)已得

2、到 廣泛應用，比如在交通信號燈、顯示燈和大屏幕顯示器等方面的應用日益增多，可是LED的 發(fā)光效率還不夠高S如何進-步提高效率，是當前的研究熱點之一。本研究從LED的封裝材料的折射率出發(fā)，采用簡化的LED結構模型，并通過菲涅耳折射 反射公式，計算各個界面的光出射效率，從而得到總的光輸岀效率；以及封裝材料折射率對 光出射效率的影響。1模型的建立1.1點光源假設LED是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，它們之間形成過渡層p-n結，當p-n 結止向偏置時，電子和空穴將分別從n和p型半導體注入p-n結，并復合而發(fā)光，如圖1 所示。假定Pn結是-正方形發(fā)光面，面積人約為0.7 mm2，而LED柱狀截面面

3、積-般為 20 mmS因而p-n結發(fā)光面積占其4%,非常小，故可以假定pri結發(fā)光是-個點光源。圖1 p-n結發(fā)光示意圖1.2全反射圓錐光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)，當入射角大于臨界角時，將發(fā)生全反射。假定LED晶片 采用折射率為3.9的碑化誄材料，外面的封裝材料采用折射率為1. 5的環(huán)氧樹脂，則全反射 角i,=22.6（已假定p-n結發(fā)光是-個點光源0）,因此只有在ic-22.6為半角的-個圓錐 以內(nèi)的光子才能溢出晶片，如圖2,而反射回左的光子則假定因內(nèi)部吸收不再出射。另外p-n 結點光源向卜-半平而發(fā)射的光子由丁基底和內(nèi)部吸收也假定不岀射。! 90圖2在晶片/壞朮*脂界面上的全反射示意圖硼化

4、傢半導休巾-3.945 海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集# 海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集1. 3半球形封裝為保護、卜導體晶片，通常用透明介質(zhì)將它固定起來，稱為封裝封裝般采用環(huán)氧樹脂，封裝的形狀直接決定著輸出光的分布,如圖3。假定p-n結發(fā)光是個點光源0,般LED晶片厚度為0.5 mm?左右 巴 由臨界角可算出圓錐的底半徑為盧0. 2 mm,而封裝丫球的半徑大約為2. 5 mm,圓錐尺寸是它的0.8%,可忽略不計，故假定光是從p-n結發(fā)光點0對 應的V發(fā)出。如果采用圖3所示的頂部半球形封裝，晶片處于球心，可以粗略認為晶片發(fā) 出的光垂環(huán)氧樹脂-空氣界面，不存在全反射

5、，苴光子溢出的損失就是反射損失，計算很 方便。# 海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集47海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集封裝材料圖3半球形封裝示意圖2相對光強分布和光輸出效率的計算2. 1 LED晶片出射相對光強分布曲線根據(jù)兩種透明媒質(zhì)界面的本征振動理論，一束光經(jīng)過兩種透明媒質(zhì)界面時，將分解為平行于入射面的P分量和垂至于入射面的s分量，并且在反射、折射過程屮，p、s兩個分量的振動是相互獨立的再由菲涅耳折射公式可知，在折射過程中p、S分量的光子透過率是不樣的，因此計算時要分別處理。由以上發(fā)光模型，從圓錐中溢出的光子，其光分布是旋轉(zhuǎn)對稱的，因而可以只要選取任-通過光軸的平

6、面，計算出此平面090的光分布就能推知整個空間的光強分布曲線。p-n結發(fā)射的光子入射到晶片-樹脂界面上，由于反射角的存在，入射角ii的范圍在0L之間，而出射角技為090。具體計算過程如下：(1)將出射角i2以Ai2=l為間隔劃分為90等分;(2) 由折射公式反推對應于每一出射角下的入射角(3) 根據(jù)菲涅耳光子透過率公式n 2 cos i2 ,2 p cos t4“2 cos 2 Zj(n2 cos 幾 + cos z2 )2n2 cos I： t 2cos i、 s42nn2 cos(n, cos ix + n2 cos z2 )249海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集-# -海峽

7、兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集可分別計算得到對應于每-角度卜P、S分量的光子透過率、(4)取p-n結的發(fā)光強度(光子密度)為單位數(shù)量1,則出射光強為(5)以零度出射角時的光強值為1,計算其它角度下的出射光強的相對值Wp、ws,并計算-# -海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集-# -海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集它們的平均值祈由相對光強Wp、Ws及平均值諺與角度i2的 對應關系，町以得到直角坐標系卜-的相對光強分布曲線，并將平均值曲線與余弦值cosi2進行比較，如圖4所示。從圖4 可以看出，相對光強平均值曲線基本符合余弦分布。圖4直角坐標系下的相對光強分布

8、曲線如果取： X. = *cosi2；Y廠諺*sin i2并以Y,為縱坐標值，Xi為橫坐標值，就可以得到極坐標系下090之間的配光曲線，如圖5, 將它左右復制，就能得到-9090的配光曲線。2.2封裝材料折射率對光輸出效率的影響采用半球形封裝，從晶片發(fā)出的光近似垂直入射到環(huán)氧樹脂-空氣界面。根據(jù)菲涅耳折 射公式，在正入射時，即=社=0, p、s分量的光子透過率相等其中門2、恥分別表示壞氧樹脂s_ 7 F+ o)和空氣的折射率。環(huán)氧樹脂的折射率取1.5,空氣的折射率一般取1.0,這樣可以計算光子在壞氧樹脂一空氣界面的透過率。由于pn結發(fā)射p、s分量的光子強度假定為1,則pn結在 任半平面發(fā)射的光

9、子總數(shù)為180；對于出射光，角度間隔將090下光強值幾、T、分別求和，得到的結果就是p、s分量在任-半平面中溢出的光子數(shù)，將這兩個結果都除以 180,就能得到晶片一樹脂界面p、s分量的光子透過率，取二者的平均值，即為晶片-樹脂界 面的光輸出效率。改變環(huán)氧樹脂的折射率，以0.1為間隔取空氣折射率和晶片折射率之間的值，并分別求 出晶片-環(huán)氧樹脂界面的光輸岀效率和環(huán)氧樹脂-空氣界面的光輸出效率，將二者相乘，得到 對應于不同環(huán)氧樹脂折射率條件下LED的光輸出效率，結果如圖6。圖5極坐標系下的相對光強分布曲線2. 3非半球形封裝LED的光強分布所謂非半球形封裝，其實頂部仍是半球，而下面增加一段圓柱，如圖

10、7,這種形狀與實 際跟接近。這時出射光將分為兩部分，一部分是從頂部半球形射出，一部分從圓柱射出?，F(xiàn)假定圓柱高為1/2球半徑(h - r/2),則圓柱部分最大入射角為arctgd/2) (=26. 5). 圓柱部分入射角是容易得到的，至于半球形部分，則根據(jù)iF弦定理，如圖7中三角形AABO, 有：hrsin Z-B sin AA30O52O05O0001.52.02.53.03.54.0封裝材料的折射率n2O5LO圖7非半球形封裝示意圖這樣可算出圓柱部分的入射角。設封裝材料的折射率為1.5,經(jīng)計算，全反射角為42, 而這種形狀封裝的LED的入射角都沒有超過此值。根據(jù)折射定理計算出折射角，再經(jīng)過定

11、 的角度計算，可以得到出射光線相對于對稱軸的角度空間方位角。2. 1中得到090間的光強分布曲線，取空間方位角9 ,及其對應的p、s分量相對光強 值Wp、Ws,由角8推出入射角i”算出出射角i2,及p、s分量的出射平均光強值幾、Ts，取 二者平均值，再計算相對值，得到090間的相對光強分布曲線，如圖8。-55 -海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集10. 80. 6A0.40. 200.20.40.60.81圖8非半球形LED相對光強分布曲線圓柱與半球的連接處造成上圖和對光強分布曲線的不光滑。根據(jù)計算結果，當圓柱高為0.5個球半徑時，光束角約為90,從圓柱出射的光約占總出射光通的10

12、%,由于這部分光在實際屮般是不起作用的,因此在計算效率時只要考慮頂部效率，經(jīng)計算頂部出射光約海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集山晶片總出射光的88%。以01為間隔取圓柱高分別是球半徑的0.51.3得到相同折射率、 不同圓柱高的情況卜的效率，見下表高徑 柱b 圓毀5O6O7 o8o9 ao11T 一23部4 頂效一 80.48 oT/-270 o4660.H985 o作曲線如圖910. 90.80.70.60. 50.40.40.60.811.21.4圓柱高/球半徑圖9圓柱高與球半徑比值對效率的影響海峽兩岸第九屆照明科技與營銷研討會專題報告文集3結論從計算得到的LED晶片的相對光強分

13、布曲線町以看出，平面形發(fā)光p-n結的輻射屬于朗伯(Lambertian)型，即光束強度按出射角的余弦變化。說明將pr結簡化為點光源是合 理的，用菲涅耳透射率公式計算光強的方法是可靠的，得到的晶片相對光強分布曲線和這種 光強計算方法將是研究復雜封裝結構LED的基礎。從圖6中可大致看出，在忽略封裝材料對光的吸收時，采用半球形封裝的LED其光輸 出效率隨著封裝材料折射率的增大而增人。但是，冃前的環(huán)氧樹脂封裝材料的折射率一般在 1.41.6 Z間，改變有限，所以應尋找新的封裝材料通過苴他方法來提高LED的光輸岀效 率。圓柱高對LED效率有-定影響，主要表現(xiàn)在圓柱越高，側(cè)面面積越大，光損失大，造 成整體效率下降。通常為了減小側(cè)面光損失，在晶片后面加反光杯，這樣圓柱高的影響就相 對小了，這將是我們步的研究對象。參考文獻：1 朱秋東.安連牛，黃-帆等.LED信號燈科技研討會專題報告論文如廣州:中國照明學會，2002. 52-61.2 朱紹龍.皇甫丙炎，萬文才.LED信號燈科技研討會專題報告論文集廣州