LED主要參數(shù)與特性

LED主要參數(shù)與特性LED是一種特別的二極管,當(dāng)連接最電的時候就會發(fā)出光,通常被用在電子器具來顯示電路是否關(guān)閉或打開的指示燈,透明的環(huán)氧半導(dǎo)體晶片LED環(huán)氧圍封下伸出的那兩條線或者"燈泡"顯示出LED應(yīng)怎樣加連接到電路,LED導(dǎo)線的負極是以兩種方法來顯示,一種是由燈泡的平面，第二種是兩條線當(dāng)中短的那條線，負極導(dǎo)線應(yīng)連接到電池負端,LED運行電壓相對很低大約只有1到4伏電壓,吸取的電流也大約只有10到40毫安.發(fā)光二極管最重要的一部分就是在燈泡中央的半導(dǎo)體晶片,晶片有兩個由接口分離的區(qū)域,P區(qū)域是由正電荷控制,而n區(qū)域是由負電荷控制，這個接口充當(dāng)了P和n電子流動的擋板，只有當(dāng)半導(dǎo)體晶片的電壓足夠時,電流才開時流動和電子穿過接口進入到P區(qū)域。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)光光強指向特性、時間特性以及熱學(xué)特性。1、LED電學(xué)特性1.1I-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：正向死區(qū)：(圖oa或oa段)a點對于V0為開啟電壓，當(dāng)VVVa,外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場，此時R很大；開啟電壓對于不同LED其值不同,GaAs為IV,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（eqVF/KT-1） IS為反向飽和電流。V>0時，V>VF的正向工作區(qū)IF隨VF指數(shù)上升IF=ISeqVF/KT（3） 反向死區(qū)：VV0時pn結(jié)加反偏壓V=-VR時，反向漏電流IR（V=-5V）時，GaP為OV,GaN為10uA。（4） 反向擊穿區(qū)VV-VR,VR稱為反向擊穿電壓；VR電壓對應(yīng)IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使VV-VR時，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。C-V特性鑒于LED的芯片有9x9mil（250x250um），lOxlOmil，llxllmil（280x280um），l2xl2mil（3OOx3OOum），故pn結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容（零偏壓）CF+pf左右。C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系（如圖2）。由lMHZ交流信號用C-V特性測試儀測得。最大允許功耗PFm當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UFxIFLED工作時，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?，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，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)時間響應(yīng)時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都達到10-6?10-7S（us級）。響應(yīng)時間從使用角度來看,就是LED點亮與熄滅所延遲的時間,即圖中tr、tf。圖中t0值很小,可忽略。響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED的點亮?xí)r間——上升時間tr是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始,一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。LED熄滅時間一一下降時間tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。不同材料制得的LED響應(yīng)時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時間V10-9S,GaP為10-7S。因此它們可用在10?100MHZ高頻系統(tǒng)。2LED光學(xué)特性發(fā)光二極管有紅外（非可見）與可見光兩個系列,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)光法向光強及其角分布I02.1.1發(fā)光強度（法向光強）是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝,由于凸透鏡的作用,故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90。。當(dāng)偏離正法向不同0角度,光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。2.1.2發(fā)光強度的角分布I0是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。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）⑴為獲得高指向性的角分布（如圖1）LED管芯位置離模粒頭遠些；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LED201/2=6°左右，大大提高了指向性。⑵當(dāng)前幾種常用封裝的散射角（201/2角）圓形LED：5。、10°、30。、45°2.2發(fā)光峰值波長及其光譜分布⑴LED發(fā)光強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藍光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O4紅外GaAs5Si光敏光電管6標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈①是藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰Zp=460?465nm；是綠色GaP:N的LED,發(fā)光譜峰九p=550nm；是紅色GaP:Zn-O的LED,發(fā)光譜峰九p=680?700nm；是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰九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,都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個波長，此波長叫峰值波長，用九p表示。只有單色光才有九p波長。⑵譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)土△九處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應(yīng)九p-△兒九p+△九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40nm。⑶主波長：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，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,則九p也就是主波長。如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著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——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1lm,白光LED的FJ.5?1.8lm（小芯片），對于lmmxlmm的功率級芯片制成白光LED,其F=18lm。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價芯片優(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。人的視覺靈敏度在九=555nm處有一個最大值680lm/w。若視覺靈敏度記為K九，則發(fā)光能量P與可見光通量F之間關(guān)系為P=fPZdZ；F=fKZPZdZ發(fā)光效率——量子效率n=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)二（e/hcl）加d九若輸入能量為w=uI,則發(fā)光能量效率nP=P/w若光子能量hc=ev，則n-nP，則總光通F=（F/P）P=KnPW式中K=F/P流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率W=KnP它是評價具有外封裝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)光顏色九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700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.51~30.30.2黃光590GaP:N-N0.450.1綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15藍光465GaN10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=nincne，式中ni向為p、n結(jié)區(qū)少子注入效率，nc為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，ne為外部出光（光取出效率）效率。由于LED材料折射率很高ni=3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時（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。為了進一步提高外部出光效率ne可采取以下措施：①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；②把芯片晶體表面加工成半球形；③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=2.4?2.6的低熔點玻璃［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4~6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14xlO8Nit。LED亮度與外加電流密度有關(guān)，一般的LED,J0（電流密度）增加BO也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，nc（復(fù)合效率）下降，B0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)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(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=BOe-t/T，Bt為t時間后的亮度，B0為初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2B0所經(jīng)歷的時間t稱為二極管的壽命。測定t要花很長的時間，通常以推算求得壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103~104小時后，先后測得BO，Bt=1000?10000，代入Bt=BOe-t/T求出t；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命to長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認為以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10?20mA長時間連