LED燈主要性能參數(shù)

1、1 LED主要參數(shù)與特性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)：?jiǎn)蜗驅(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) VvVa,外加電場(chǎng)尚克制 不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng)，此時(shí)R很大；開啟電壓對(duì)于不同 LED其值不同，GaAs為 1V,紅色 GaAsP 為 1.2V, GaP 為 1.

2、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<0時(shí)pn結(jié)加反偏壓 V二 - VR時(shí)，反向漏電流IRV= -5V時(shí)，GaP為0V , GaN為 10uA。4反向擊穿區(qū) Vv- 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 Vv- VR時(shí)，那么出現(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。C

3、-V特性鑒于 LED 的芯片有 9X 9mil (250 x 250um), 10X10mil, 11 x 11mil (280 x 280um), 12 x 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(cè)試儀測(cè)得。最大允許功耗 PF m 當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF那么功率消耗為 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，還有一局部變?yōu)闊?，使結(jié)溫 升高。假設(shè)結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta,那么當(dāng)Tj>Ta時(shí)，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱

4、， 散逸熱量功率，可表示為P = KTTj - Ta。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?，F(xiàn)有幾種顯示LCD液晶顯示約10-3-10-5S, CRT、PDP、LED 都到達(dá) 10-610-7Sus 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間一一上升時(shí)間 tr是指接通電源使發(fā)光亮度到達(dá)正常的10%開場(chǎng)，一直到發(fā)光亮度到達(dá)正常值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。LED熄滅時(shí)間一一下降時(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 LE

5、D響應(yīng)時(shí)間各不一樣； 如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時(shí)間v 10-9S, GaP為10-7 So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。發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布I 0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。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。發(fā)光強(qiáng)度的角分布I。是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向

6、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 1LED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 2 0 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2 0 1/2角圓形LED : 5°、10°、30°、45°發(fā)光峰值波長(zhǎng)及其光譜分布LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同，繪成一條分布曲線一一光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、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

7、物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及pn結(jié)構(gòu)造外延層厚度、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)。以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)鴇絲燈 是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰入 p = 460465nm； 是綠色 GaP:N的LED ,發(fā)光譜峰入p = 550nm ; 是紅色 GaP:Zn-O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

8、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(zhǎng)，此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng)，用入 p表示。只有單色光才有入p波長(zhǎng)。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)土入處，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。半高寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數(shù)，LED半寬小于40 nm。主波長(zhǎng)：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長(zhǎng)；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(zhǎng)。主波長(zhǎng)就是人眼所能觀察到的，由 LED 發(fā)出主要單色光的波長(zhǎng)。單色性越好，那么入

9、p也就是主波長(zhǎng)。如GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)只有一個(gè)，它會(huì)隨著LED長(zhǎng)期工作，結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)波。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L(zhǎng)ED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?？梢姽釲ED的光通量單位為流明lm。LED向外輻射的功率一一光通量與芯片材料、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 lm,白光LED的F lm小芯片，對(duì)于1mmx 1mm的功 率級(jí)芯片制成白光 LED,其F=18 lm。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

10、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/w。假設(shè)視覺靈敏度記為 K入，那么發(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Y=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)= e/hcI/入P入d入假設(shè)輸入能量為 W=UI ,那么發(fā)光能量效率XP=P/W假設(shè)光子能量 hc=ev,那么y y P ,那么總光通 F= F/PP=K刀PW式中K= F/P流明效率：LED的光通

11、量F/外加耗電功率 W=K r 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。以以下出幾種常見 LED流明效率可見光發(fā)光效率：LED發(fā)光顏色 入pnm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 130.30.2黃光 590 GaP:N-N 綠光 555 GaP:N 0.0150.15藍(lán)光465 GaN 10 白光 譜帶GaN+YAG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)

12、光僅是內(nèi)部發(fā)光的一局部， 總的發(fā)光效率應(yīng)為刀=r R cr e，式中刀i向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入 效率，c c為在勢(shì)壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，e e為外部出光光取出效率效率。由于LED材料折射率很高刀i3.6。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 裝假設(shè)垂直入射，被空氣反射，反射率為n1-12/n1+12=0.32,反射出的占32%,鑒于晶體本身對(duì)光有相當(dāng)一局部的吸收，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刀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外表；把芯片晶體外表加工成半球形；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)

13、用n=2.42.6的低熔點(diǎn)玻璃成分 As-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)光體外表亮度等于發(fā)光體外表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。假設(shè)光源外表是理想漫反射面，亮度BO與方向無關(guān)為常數(shù)。晴朗的藍(lán)天和熒光燈的外表亮度約為7000Nit尼特，從地面看太陽外表亮度約為14X108Nit。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也近似增大

14、。另 外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，y 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(zhǎng)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/ ° , 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(cè)定t要花很長(zhǎng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命。測(cè)量方法：給 LED通以一定恒流源，點(diǎn)燃 103 104小時(shí)后，先后測(cè)得BO , Bt=100010000 ,代入 Bt=BO e-t/。求出p ;再把 Bt=1/2BO 代入，可求出壽命 t。長(zhǎng)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(guó)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IFv10mA,或者1020 mA 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮 LED