發(fā)光二極管主要參數(shù)與特性

發(fā)光二極管主要參數(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：(1)正向死區(qū)：（圖oa或oa′段）a點對于V0為開啟電壓，當V＜Va，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(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)：V＜0時pn結(jié)加反偏壓V=-VR時，反向漏電流IR（V=-5V）時，GaP為0V，GaN為10uA。（4）反向擊穿區(qū)V＜-VR，VR稱為反向擊穿電壓；VR電壓對應(yīng)IR為反向漏電流。當反向偏壓一直增加使V＜-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。1.2C-V特性鑒于LED的芯片有9×9mil(250×250um)，10×10mil，11×11mil(280×280um)，12×12mil(300×300um)，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交流信號用C-V特性測試儀測得。1.3最大允許功耗PFm當流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UF×IFLED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）。①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。②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——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＜10-9S，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Iθ2.1.1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°。當偏離正法向不同θ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Iθ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）①LED管芯位置離模粒頭遠些；②使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭；③封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右，大大提高了指向性。⑵當前幾種常用封裝的散射角（2θ1/2角）圓形LED：5°、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14×108Nit。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也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，ηc（復(fù)合效率）下降，BO減小。當環(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/τ，Bt為t時間后的亮度，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/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。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IF＜10mA，或者10~20mA長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或λp就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點陣、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)計散射通風(fēng)裝置。LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為λp（T′）=λ0（T0）