LED主要參數(shù)及電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)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。

(1)正向死區(qū)：(圖oa或oa′段)a點對于V0為開啟電壓，當(dāng)V

(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(dāng)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。

1.2 C-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。

1.3 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=UF×IF

LED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(dá)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(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)。

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

2.1.1 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

①LED管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)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(dāng)前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2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(lán)光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O

4紅外GaAs5Si光敏光電管6標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈

①是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰λp=460～465nm;

②是綠色GaP:N的LED，發(fā)光譜峰λp=550nm;

③是紅色GaP:Zn-O的LED，發(fā)光譜峰λp=680～700nm;

④是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰λp=910nm;

⑤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λp表示。只有單色光才有λp波長。

⑵譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ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)λp-△λ，λp+△λ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λp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F≈1.5~1.8lm(小芯片)，對于1mm×1mm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

①LED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。

②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λ=555nm處有一個最大值680lm/w。若視覺靈敏度記為Kλ，則發(fā)光能量P與可見光通量F之間關(guān)系為P=∫Pλdλ;F=∫KλPλdλ

③發(fā)光效率--量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=(e/hcI)∫λPλdλ

若輸入能量為W=UI，則發(fā)光能量效率ηP=P/W

若光子能量hc=ev,則η≈ηP，則總光通F=(F/P)P=KηPW式中K=F/P

④流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率W=KηP

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λp(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(lán)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

η=ηiηcηe，式中ηi向為p、n結(jié)區(qū)少子注入效率，ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，ηe為外部出光(光取出效率)效率。

由于LED材料折射率很高ηi≈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(jìn)一步提高外部出光效率ηe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(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(亮度)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(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/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(rèn)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(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<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)+△Tg×0.1nm/℃

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)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、光亮度的設(shè)計尤其應(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。

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