LED主要參數(shù)與特性要點(diǎn)

1、LED主要參數(shù)與特性(時(shí)間：2005-11-19 15:36:11共有 匚訂9508人次瀏覽)LED是利用化合物材料制成 pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及 熱學(xué)特性。1、LED電學(xué)特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。如左圖：(1)正向死區(qū)：(圖oa或oa段)a點(diǎn)對(duì)于V0為開啟電壓，當(dāng) V v Va,外加電場 尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢壘電場，此時(shí)R很大；開啟電壓對(duì)于不同 LE

2、D其值不同，GaAs 為 1V，紅色 GaAsP 為 1.2V, GaP 為 1.8V , GaN 為 2.5V。(2) 正向工作區(qū)：電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系IF = IS (e qVF/KT - 1)IS為反向飽和電流 。V 0時(shí)，V VF的正向工作區(qū)IF隨VF指數(shù)上升IF = IS e qVF/KT(3) 反向死區(qū)：V v 0時(shí)pn結(jié)加反偏壓V= - VR 時(shí)，反向漏電流 IR (V= -5V )時(shí)，GaP 為 0V , GaN 為 10uA。(4) 反向擊穿區(qū) V V - VR , VR稱為反向擊穿電壓； VR電壓對(duì)應(yīng)IR為反向漏 電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使V V- VR時(shí)，則出現(xiàn)I

3、R突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同，各種LED的反向擊穿電壓 VR也不同。1.2 C-V特性鑒于 LED 的芯片有 9X 9mil (250 x 250um), 10x 10mil, 11 x 11mil (280 x 280um), 12X 12mil (300 x 300um)，故pn結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容(零偏壓)C n+pf左右。C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系(如圖2)。由1MHZ交流信號(hào)用C-V特性測試儀測得。1.3最大允許功耗PF m當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UF x IFLED工作時(shí)，外加偏壓、偏流一定促使載流子復(fù)合發(fā)出光，還有一部分變

4、為熱, 使結(jié)溫升高。若結(jié)溫為 Tj、外部環(huán)境溫度為 Ta,則當(dāng)Tj Ta時(shí)，內(nèi)部熱量借助管座 向外傳熱，散逸熱量（功率），可表示為P = KT（Tj - Ta）。1.4 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢。現(xiàn)有幾種顯示LCD （液晶顯示）約 10-310-5S , CRT、 PDP、 LED 都達(dá)到 10-610-7S （ us 級(jí)）。 響應(yīng)時(shí)間從使用角度來看,就是 LED 點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間,即圖中 tr 、tf 。圖中 t0 值很小,可忽略。 響應(yīng)時(shí)間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED 的點(diǎn)亮?xí)r間上升時(shí)間 tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%

5、開始,一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。LED 熄滅時(shí)間下降時(shí)間 tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。不同材料制得的 LED 響應(yīng)時(shí)間各不相同；如 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 其響應(yīng)時(shí)間v 10-9S, GaP為10-7 S。因此它們可用在 10100MHZ高頻系統(tǒng)。2 LED 光學(xué)特性 發(fā)光二極管有紅外（非可見）與可見光兩個(gè)系列，前者可用輻射度，后者可用光 度學(xué)來量度其光學(xué)特性。2.1發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布I 02.1.1 發(fā)光強(qiáng)度（法向光強(qiáng)）是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要性能。LED 大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強(qiáng)指向性：位

6、于法向方向 光強(qiáng)最大，其與水平面交角為90。當(dāng)偏離正法向不同 0 角度，光強(qiáng)也隨之變化。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向。2.1.2 發(fā)光強(qiáng)度的角分布 I0 是描述 LED 發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。 它主要 取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否） 為獲得高指向性的角分布（如圖 1） LED 管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些； 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭； 封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。采取上述措施可使 LED 20 1/2 = 6左右，大大提高了指向性。 當(dāng)前幾種常用封裝的散射角（ 20 1/2角）圓形 LED：5、 10、 30、 452.2 發(fā)光峰值波長及其光譜分

7、布 LED 發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線光 譜分布曲線。 當(dāng)此曲線確定之后， 器件的有關(guān)主波長、 純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之 而定。LED 的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及 pn 結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、 摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。下圖繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得 LED 光譜響應(yīng)曲線。其中LED 光譜分布曲線1 藍(lán)光 InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O4 紅外 GaAs 5 Si 光敏光電管 6 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈 是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰 入p = 460465nm ; 是綠

8、色 GaP:N的LED，發(fā)光譜峰 入p = 550nm ; 是紅色 GaP:Zn-0的LED，發(fā)光譜峰 入p = 680700nm ; 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰 入p = 910nm ; 是 Si 光電二極管，通常作光電接收用。由圖可見， 無論什么材料制成的 LED ，都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處 （光輸出最大） ， 與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長，此波長叫峰值波長，用 入p表示。只有單色光才有 入p波長。 譜線寬度：在 LED譜線的峰值兩側(cè)厶 入處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值（最大 光強(qiáng)度）一半的點(diǎn)，此兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng) 入p-入，入p+ 入之間寬度叫譜線寬度，也稱 半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜

9、線寬窄，即 LED 單色性的參數(shù)， LED 半寬小于 40 nm。 主波長：有的 LED 發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長;甚至有多個(gè) 峰值，并非單色光。為此描述 LED 色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀 察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則入p也就是主波長。如 GaP 材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長，而主波長只有一個(gè)，它會(huì)隨著LED 長期工作，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。2.3 光通量光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。F為LED 向各個(gè)方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加， LED 光通量 隨之增大?？梢姽?LED 的光通量

10、單位為流明（ lm ）。LED 向外輻射的功率光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色LED的光通量最大約1 Im，白光LED的F 1.51.8 Im （小芯片），對(duì) 于1mm x 1mm的功率級(jí)芯片制成白光 LED，其F=18 Im。2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度 LED 效率有內(nèi)部效率（ pn 結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率）與外部效率（輻 射到外部的效率） 。前者只是用來分析和評(píng)價(jià)芯片優(yōu)劣的特性。LED 光電最重要的特性是用輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比，即發(fā)光效率。 視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量。人的視覺靈敏度在入=555nm處有一個(gè)最大值 680 lm

11、/w。若視覺靈敏度記為 K入，則發(fā)光能量 P與可見光通量 F 之間關(guān)系為 P= / P入d入；F= / K入P入d入 發(fā)光效率一一量子效率 n =發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=（e/hcl）/入P入d入若輸入能量為W=UI，則發(fā)光能量效率n P=P/W若光子能量 hc=ev，則n n P ,則總光通 F= （F/P） P=K n PW 式中K= F/P 流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率 W=K n P它是評(píng)價(jià)具有外封裝 LED 特性， LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見 光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。以下列出幾種常見 LED 流明效率（可見光發(fā)光效率） ：LED發(fā)光顏

12、色 入p （nm） 材料 可見光發(fā)光效率（lm/w ） 外量子效率 最高值 平均值紅光 700660650 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP 2.40.270.38 120.50.5 130.30.2 黃光 590 GaP:N-N 0.45 0.1綠光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.0150.15藍(lán)光 465 GaN 10白光 譜帶 GaN+Y AG 小芯片 1.6，大芯片 18品質(zhì)優(yōu)良的 LED 要求向外輻射的光能量大， 向外發(fā)出的光盡可能多， 即外部效率要高。事實(shí)上， LED 向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應(yīng)為n = n i n c n e，式中n i向?yàn)镻、n

13、結(jié)區(qū)少子注入效率，n c為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，n e為外部出光（光取出效率）效率。由于LED材料折射率很高n i沁3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)（無 環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（ n1-1） 2/（ n1+1） 2=0.32，反射出 的占 32%，鑒于晶體本身對(duì)光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。為了進(jìn)一步提高外部出光效率 n e可采取以下措施： 用折射率較高的透明材料 （環(huán)氧樹脂n=1.55并不理想）覆蓋在芯片表面；把芯片晶體表面加工成半球形； 用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.42.6的低熔點(diǎn)玻璃 成分 As

14、-S（Se）-Br（I） 且熱塑性大的作封帽，可使紅外 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 的 LED 效率提高 46 倍。2.5 發(fā)光亮度亮度是 LED 發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強(qiáng)方向性。其正法線方向的亮度 BO=IO/A ，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體 角內(nèi)所輻射的光通量，單位為 cd/m2 或 Nit。若光源表面是理想漫反射面，亮度 BO 與方向無關(guān)為常數(shù)。晴朗的藍(lán)天和熒光燈 的表面亮度約為 7000Nit （尼特），從地面看太陽表面亮度約為14X 108Nit。LED亮度與外加電流密度有關(guān)，一般的 LED , JO （電流密度）增加 BO也近

15、似增 大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)， 環(huán)境溫度升高，n c （復(fù)合效率）下降，BO減小。 當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起 Pn 結(jié)結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。2.6 壽命老化： LED 發(fā)光亮度隨著長時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程 度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為Bt=BO e-t/T , Bt為t時(shí)間后的亮度，BO為初始亮度。通常把亮度降到 Bt=1/2BO所經(jīng)歷的時(shí)間t稱為二極管的壽命。測定 t要花很長的 時(shí)間，通常以推算求得壽命。測量方法：給 LED 通以一定恒流源，點(diǎn)燃 103 104 小 時(shí)后，先后測得 BO , Bt=1OOO1OOOO ,代入Bt=BO

16、 e-t/ t求出t ;再把Bt=1/2BO 代 入，可求出壽命 t。長期以來總認(rèn)為 LED壽命為106小時(shí)，這是指單個(gè) LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來 35%，壽命6000h。3熱學(xué)特性LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF v 10mA，或者1020 mA長時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮 LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或入p就會(huì)向長波長漂移，BO也會(huì)下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為入p

17、( T)=入0 (TO) + Tg X 0.1 nm/C由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高 10C，則波長向長波漂移 1nm,且發(fā)光的均勻性、一致 性變差。這對(duì)于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強(qiáng)、光亮度的設(shè)計(jì)尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設(shè)備、確保LED長期工作。|古今名言敏而好學(xué)，不恥下問 一一孔子業(yè)精于勤，荒于嬉；行成于思，毀于隨 一一韓愈興于詩，立于禮，成于樂 一一孔子己所不欲，勿施于人一一孔子讀書破萬卷，下筆如有神一一杜甫讀書有三到，謂心到，眼到，口到一一朱熹立身以立學(xué)為先，立學(xué)以讀書為本一一歐陽修讀萬卷書，行萬里路一一劉彝黑發(fā)不知勤學(xué)早，白首方悔讀書遲一一顏真卿書卷多情似故人，晨昏憂樂每相親于謙書猶藥也，善讀之可以醫(yī)愚 一一劉向莫等