光電參數(shù)培訓(xùn)教材

1、目錄 led光學(xué)參數(shù)及特性 led電學(xué)參數(shù)及特性 led熱學(xué)特性一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 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)型器件的光學(xué)特性、電學(xué)特性以及熱學(xué)特性。 1、可見光譜、可見光譜 光是一定波長范圍內(nèi)的一種電磁輻射。電磁輻射的波長范圍很廣，最短的如宇宙射線，其波長只有千兆分之幾米(10-14-10-15m)，最長的如交流電，其波長可達(dá)數(shù)千米。在電磁輻射范圍內(nèi)，只有波長為 380nm 到 780nm 的電磁輻射能夠引起人的視覺，這段波長叫做可見光譜，如下圖所示。 一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 電磁輻射波譜一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 人眼能起視覺反映的最長和最短波長 78

2、0nm 和 380nm，它們分別處在光譜的紅色端與紫色端。嚴(yán)格地說，只有那種能夠被眼睛感覺到的、并產(chǎn)生視覺現(xiàn)象的輻射才是可見輻射或可見光，簡稱光。本文所指的光也就是這個(gè)定義上的光。 表列出了各種顏色光線的波長：光色波長（nm）代表波長紅（Red）780630700 橙（Orange）630600620黃（Yellow）600570580 綠（Green）570500550青（Cyan）500470500 藍(lán)（Blue）470420470 紫（Violet）420380420 一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 2、發(fā)光峰值波長及其光譜分布發(fā)光峰值波長及其光譜分布 2.1 LED 相對光譜能量分布相對光譜

3、能量分布P() 發(fā)光二極管的相對光譜能量分布 P()表示在發(fā)光二極管的光輻射波長范圍，各個(gè)波長的輻射能量分布情況，通常在實(shí)際場合中用相對光譜能量分布來表示。如圖 所示，表示各個(gè)不同顏色 LED 的相對光譜能量分布曲線。一般而言，LED 發(fā)出的光輻射，往往由許多不同波長的光所組成，而且不同波長的光其中所占的比例也不同。LED 輻射能量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)。一、LED光學(xué)參數(shù)及

4、特性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)鎢絲燈人眼感光LED 光譜分布曲線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 是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰p = 460465nm； 是綠色GaP:N的LED，發(fā)光譜峰p = 550nm； 是紅色GaP:Zn-O的LED，發(fā)光譜峰p = 680700nm； 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰p = 910nm； 是Si光電二極管，通常作光電接收用。一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 2.2 LED 的峰值波長的峰值波長p和光譜半波寬和光譜半

5、波寬 LED 相對光譜能量分布曲線的重要參數(shù)用峰值波長 p 和光譜半波寬 這兩個(gè)參數(shù)表示。無論什么材料制成的 LED，都有一個(gè)相對光輻射最強(qiáng)處，與之相對應(yīng)有一個(gè)波長，此波長為峰值 波長，它由半導(dǎo)體材料的帶隙寬度或發(fā)光中心的能級位置決定。 光譜半波寬 定義為相對光譜能量分布曲線上，兩個(gè)半極大值強(qiáng)度處對應(yīng)的波長差，如 圖所示，它標(biāo)志著光譜純度， 同時(shí)也可以用來衡量半導(dǎo)體 材料中對發(fā)光有貢獻(xiàn)的能量 狀態(tài)離散度，LED 的發(fā)光光 譜的半寬度一般為 30-100nm， 光譜寬度窄意味著單色性好， 發(fā)光顏色鮮明，清晰可見。 光譜半波寬 一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 3、發(fā)光效率和視覺靈敏度、發(fā)光效率和視覺靈敏

6、度 3.1發(fā)光效率: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。 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 =ice ，式中i為向p、n 結(jié)區(qū)少子注入效率，c為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，e為外部出光(光取出效率)效率。 流明效率：(LED的光通量)F/(外加耗電功率)p=KP 它是評價(jià)具有外封裝LED特性，LED的流明效率高指在同樣

7、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。 一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 3.2視覺靈敏度：國際照明委員會(CIE)為人眼對不同波長單色光的靈敏度作了總結(jié)，在明視覺條件(亮度為 3cd/m2以上)下，歸結(jié)出人眼標(biāo)準(zhǔn)光度觀測者光譜光效率函數(shù) V()，它在 555nm 上有最大值，此時(shí) 1W 輻射通量等于 683lm， V()為暗視覺條件(亮度為 0.001cd/m2以下)下的光譜光視效率。 一、LED光學(xué)參數(shù)及特性 4、相關(guān)光、色度學(xué)參數(shù)、相關(guān)光、色度學(xué)參數(shù) 4.1光通量v：光通量是表征 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

8、有關(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。可見光LED的光通量單位為流明（lm）。 4.2發(fā)光強(qiáng)度 Iv：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，可表示為 IV=d/d，式中 d 是點(diǎn)光源在某一方向上所張的立體角元,單位為cd。 4.3發(fā)光亮度：亮度具有很強(qiáng)方向性，發(fā)光體在特定方向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量 。單位為cd/m2 或 Nit。 4.4色溫 TC：光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí)，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。二、LED電學(xué)參數(shù)及特性1、LED相關(guān)電性參數(shù)相關(guān)電性參數(shù)1.1正向電壓 VF ：通過發(fā)光二極管的正向電流為確定值時(shí)，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。 1.2

9、正向電流IF：LED的正常工作電流，對于小功率LED，一般為20mA。1.3反向電壓 VR ：被測發(fā)光二極管器件通過的反向電流為確定值時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。 1.4反向電流 IR ：加在發(fā)光二極管兩端的反向電壓為確定值時(shí)，流過發(fā)光二極管的電流。1.5工作時(shí)的耗散功率PD：即正向電流乘以正向電壓。2、I-V特性特性 LED的 I-V特性表征LED芯片 PN 結(jié)制備性能主要參數(shù)，LED通常都具有如圖所示的較好的伏安特性。LED的 I-V 特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向電性，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。 二、LED電學(xué)參數(shù)及特性1.正向截止區(qū)：（圖 oa 或 oa段）a點(diǎn)對于

10、 V0 為開啟電壓，當(dāng) VVa，外加電場尚未克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢壘電場，此時(shí)電阻很大；開啟電壓對于不同 LED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，IS為反向飽和電流。V0時(shí)，VVF的正向工作區(qū) IF隨VF指數(shù)上升（ IF = IS e qVF/KT ）。3.反向截止區(qū)： V0時(shí)PN結(jié)加反偏壓， V=-VR時(shí)， GaN反向漏電流IR （V=-5V）為 10uA。 4.反向擊穿區(qū) V- VR ，VR 稱為反向電壓；VR電壓對應(yīng) IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使 V-V

11、R 時(shí)，則出現(xiàn)IR 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。 LED的 I-V特性曲線 二、LED電學(xué)參數(shù)及特性 3、LED的極限參數(shù)的極限參數(shù)對于LED器件，一般常用的極限參數(shù)有以下幾項(xiàng)：最大允許耗散功率最大允許耗散功率Pmax=IFHVFH：一般按環(huán)境溫度為25時(shí)的額定功率。當(dāng)環(huán)境溫度升高，則LED的最大允許耗散功率將會下降。當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UFIF。LED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?yōu)闊幔菇Y(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta，則當(dāng)TjTa時(shí)，內(nèi)部熱量借助管座

12、向外傳熱，散逸熱量（功率），可表示為P = KT（Tj Ta）。最大允許工作電流最大允許工作電流IFM：由最大允許耗散功率來確定。參考一般的技術(shù)手冊中給出的工作電流范圍，最好在使用時(shí)不要用到最大工作電流。要根據(jù)散熱條件來確定，一般只用到最大電流IFM的60%為好。最大允許正向脈沖電流最大允許正向脈沖電流IFP：一般是由占空比與脈沖重復(fù)頻率來確定。LED工作于脈沖狀態(tài)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)脈寬來實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，例如LED顯示屏就是利用這個(gè)手段來調(diào)節(jié)亮度的。反向擊穿電壓反向擊穿電壓VR：一般要求反向電流為指定值的情況下可測試反 向電壓VR，反向電流一般為5100uA之間。反向擊穿電壓通常不能超過20V，在設(shè)

13、計(jì)電路時(shí)，一定要確定加到LED的反向電壓不要超過20V。二、LED電學(xué)參數(shù)及特性響應(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）。 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%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

14、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10-9S，GaP為10-7 S。因此它們可用在10100MHZ高頻系統(tǒng)。4、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間三、LED熱學(xué)特性 1、工作溫度、工作溫度 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IF10mA，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p 就會向長波長漂移，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對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p（T）=0（T0）+Tg0.1nm/。由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)

15、光的均勻性、一致性變差。這對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。三、LED熱學(xué)特性 2、熱阻、熱阻Rth LED熱學(xué)設(shè)計(jì)的目的在于預(yù)言LED芯片的結(jié)溫，所謂結(jié)溫是指LED芯片PN結(jié)的溫度。當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)，反映熱傳導(dǎo)體阻礙熱流的能力的物理量稱為熱阻。對于熱流經(jīng)過的截面積不變的平板，導(dǎo)熱熱阻為L/(kA)。其中L為平板的厚度，A為平板垂直于熱流方向的截面積，k為平板材料的熱導(dǎo)率。在LED點(diǎn)亮后達(dá)到熱量傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)時(shí)，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn結(jié)點(diǎn)的溫度與連接的支架或鋁基板的溫度之間的溫差就稱為熱阻Rth，即是熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比，單位為/W。數(shù)值越低，表示芯片中的熱量傳導(dǎo)到支架或鋁基板上就越快。這有利于降低芯片中的pn結(jié)的溫度，從而延長LED的壽命。三、LED熱學(xué)