发光二极管主要参数与特性(精)

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1、发光二极管主要参数与特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器 件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发 光光强指向特性、时间特性以及热学特性。1、LED电学特性1.1 I-V 特性 表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻VR I击 反向死区穿_区J1 亠I I I I I l工作区VFV正向死区图.1. I-V特性曲线而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同如左图：正向死 区：(图oa 或oa段)a点对于V) 为开启电 压，当Vv Va,外加电

2、 场尚克服 不少因载 流子扩散LED其值不同，GaAs为 1V,红色 GaAsP为 1.2V, GaP为 1.8V, GaN为 2.5V。(2) 正向工作区：电流I f与外加电压呈指数关系If = I s(e qV旳-1) 1s为反向饱和电流。v 0时，V VF的正向工作区lF随VF指数上升I F = I S e qVFKT(3) 反向死区：Vv 0时pn结加反偏压V= - V R 时，反向漏电流 |R(V= -5V)时，GaP为 0V, GaN为 10uA。(4) 反向击穿区V v- VR, VR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为 反向漏电流。当反向偏压一直增加使 Vv- Vr时，贝卩出现

3、I r突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。1.2 C-V 特性Co1II1111C0，1111HHII1 q专业.专注鉴于 LED 的芯片有 9 9mil (250 怎50um), 10X10mil ,图2 LED C-V特性曲线11 X11mil (280 280um), 12X12mil (300300um)，故pn结面积大小不一， 使其结电容(零偏压)n+pf 左右。C-V特性呈二次函数关系(如图2)。由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。1.3最大允许功耗 PF m当流过LED的电流为If、管压降为&则功率消耗为P=LFM fLE

4、D工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发岀光，还有一部分变为热， 使结温升高若结温为Tj、外部环境温度为 Ta,则当Tj Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功 率），可表示为 P = Kt （Tj - Ta）。1.4响应时间响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显 示 LCD （液晶显示）约 10-310-5S, CRT PDR LED都达到 10-610-7S （ us 级）。 响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中 tr、tf。图中t0值很小，可忽略。 响应时间 主要取决于载 流子寿命、器 件的结电容及 电路阻抗。LED的点亮时 间一

5、一上升时 间tr是指接通 电源使发光亮 度达到正常的 10%开始，一直 到发光亮度达 到正常值的 90%所经历的 时间。LED熄灭时间一一下降时间 tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。不同材料制得的 LED响应时间各不相同；如 GaAs GaAsP GaAIAs其响应时间v 10-9S，GaP-7 为10 S。因此它们可用在10100MHZ高频系统。2 LED光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。2.1发光法向光强及其角分布I o2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、

6、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90。当偏离正法向不同0角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。2.1.2 发光强度的角分布 I o是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装 的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）为获得高指向性的角分布（如图 1） LED管芯位置离模粒头远些;O.t： M.2:0.L图2图指 向性弱（强2 01纟大）小） 使用圆锥状 （子弹头）的模粒头； 封装的环氧树 脂中勿加散射剂。采取上述措施可 使 LED 20 1/2 = 6 左右，大大提高了指 向性。当前几种常

7、 用封装的散射角（2 0 1/2 角）圆形 LED: 5 、10、30、452.2发光峰值波长及其光谱分布LED发光强度或光功率输岀随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线一一光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、 等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）LED光谱响应曲线。其中0./|c.n人眼感光ilr00 303 4QC 30U 6U0700_c :LED光谱分布曲线1 蓝光 InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红

8、光 GaP:Zn-04红外GaAs 5 Si光敏光电管6标准钨丝灯 是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰入p = 460465nm； 是绿色 GaP:N的LED,发光谱峰 入p = 550nm； 是红色 GaP:Zn-0的LED,发光谱峰 入p = 680700nm； 是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰 入p = 910nm； 是Si光电二极管，通常作光电接收用。由图可见，无论什么材料制成的LED,都有一个相对光强度最强处（光输岀最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用入p表示。只有单色光才有入p波长。 谱线宽度：在 LED谱线的峰值两侧士入 处，存在两个光强等于峰值（最

9、大光强度）一半的点，此两点分别对应 入p-入，入p+入之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40 nm。 主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单 色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发岀主要单色光的波长。单色性越好，则入p也就是主波长。如GaP材料可发岀多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主 波长偏向长波。2.3光通量光通量F是表征LED总光输岀的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和，它

10、与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明（lm ）LED向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约 1 lm，白光LED的1.51.8 lm （小芯片），对于1mM 1mm勺功率级 芯片制成白光 LED,其F=18 lm。2.4发光效率和视觉灵敏度LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效 率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射岀光能量(发光量)与输入电能之比，即发光效率。 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉

11、灵敏度在入=555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为 心，则发光能量P与可见光通量 F之间关系为 P=/P“g ； F=/ K入 P入 ck 发光效率一一量子效率n =发射的光子数/pn结载流子数=(e/hcl )/入Px dx若输入能量为W=UI,则发光能量效率 n p=P/W若光子能量hc=ev,则n - n p ,则总光通F=( F/P) P=Kn pW式 中 k= f/p 流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率 WKn P它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。 以下列岀几种常见LED流明效率(可

12、见光发光效率)LED发光颜色x P(nm材料可见光发光效率(lm/w )外量子效率最高值平均值700GapZ n-O2.41213红光660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黄光590GaP：N-N0.450.1绿光555GapN4.20.70.0150.15蓝光465GaN10白光谱带GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发岀的光尽可能多，即外部效率要高。事实 上, LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为 n = n i n c n e ，工式中n i向为P、n结区少子注入效率，n c为在势垒区少子与

13、多子复合效率，n e为外部出光(光取出效率)效率。由于LED材料折射率很高 n i 3.6。当芯片发岀光在晶体材料与空气界面时(无环氧封装)若垂直入射，被空气反射，反射率为( n“ ) 2/ ( m+1) 2=0.32，反射岀的占32%鉴于晶体本 身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部岀光效率。为了进一步提高外部岀光效率ne可采取以下措施：用折射率较高的透明材料(环氧树脂n=1.55并不理想)覆盖在芯片表面； 把芯片晶体表面加工成半球形；用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.42.6的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(l) 且热塑性大的作封帽，可使红外 G

14、aAs GaAsP GaAIAs的LED效率提 高46倍。2.5发光亮度亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度Bo=IOA，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或 Nit。若光源表面是理想漫反射面，亮度 Bo与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光8 灯的表面亮度约为 7000Nit （尼特），从地面看太阳表面亮度约为14 xiONit。LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED, J。（电流密度）增加 B。也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，nc （复合效率）下降,rGaP NGaR

15、Zn-O A/cm0通常把亮度降到 B=1/2B。所经历的时间t称为二极 管的寿命。测定 t要花很长的时间，通常以推算求得寿 命。测量方法：给 LED通以一定恒流源，点燃103104小-t/ 时后，先后测得 Bo，B=100010000 ,代入Bt=Bo et求岀t;再把 Bt=1/2Bo代入，可求岀寿命 t o长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在|F=20mA下。随着功率型 LED开发应用，国外学者 认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来 35%,寿命6000h oBo减小。当环境温度不变，电流增 大足以引起pn结结温升高，温升后， 亮度呈饱

16、和状态。2.6寿命老化：LED发光亮度随着长时 间工作而出现光强或光亮度衰减现 象。器件老化程度与外加恒流源的大-t/小有关，可描述为 B=Bo et，Bt为t时间后的亮度，Bo为初始亮度。3热学特性LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在小电流I f 10mA 或者 1020 mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或入p就会向长波长漂移，由也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。LED的主波长随温度关系可表示为入p （ T）=入0 （T0）+T gx 0.1 nm/C由式可知，每当结温升高10C，则波长向长波漂移 1nm,且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。