LED燈主要性能參數(shù)

1、精品文檔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1.1 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)：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(diǎn)對于 V0 為開啟電壓，當(dāng)V Va，外加電場尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢壘電場，此時(shí)R 很大；開啟電壓對于不同LED 其值不同， GaAs為

2、 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 (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= - VR時(shí)，反向漏電流 IR（ V= -5V ）時(shí)， 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(shí)，則出現(xiàn) IR 突然增

3、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（如圖2）。由 1MHZ交流信號(hào)用C-V 特性測試儀測得。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

4、× 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(shí)，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(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。現(xiàn)有幾種顯示 LCD（液晶顯示）約 10-310-5S ， CRT、 PDP、 LED都達(dá)到 10-610-7S （ us 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

5、路阻抗。LED 的點(diǎn)亮?xí)r間上升時(shí)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(shí)間。LED熄滅時(shí)間下降時(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 LED響應(yīng)時(shí)間各不相同；如 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 其響應(yīng)時(shí)間 10-9S ，GaP為 10-7 S。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。2.1 發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布I 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。1歡迎

6、下載精品文檔圓柱、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1） LED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LED21/2 = 6°左右，大大提高了指向性。 當(dāng)前幾種常用封裝的散射角（21/2 角）圓形LED： 5&

7、#176;、 10°、 30°、 45°2.2 發(fā)光峰值波長及其光譜分布 LED發(fā)光強(qiáng)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-O4 紅外 GaAs5 Si 光敏光電管6 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈是藍(lán)色 InGa

8、N/GaN 發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰 p = 460 465nm；是綠色 GaP:N的 LED，發(fā)光譜峰 p = 550nm；是紅色 GaP:Zn-O 的 LED，發(fā)光譜峰 p = 680 700nm；是紅外 LED使用 GaAs材料，發(fā)光譜峰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(gè)相對光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個(gè)波長，此波長叫峰值波長，用p 表示。只有單色光才有 p 波長。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±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)分別對應(yīng) p- ， p+之間寬度叫譜線寬度，也

9、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：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長；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。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p 也就是主波長。如 GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長，而主波長只有一個(gè)，它會(huì)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(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。

10、 可見光 LED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 1 lm，白光 LED的 F 1.51.8 lm （小芯片），對于 1mm× 1mm的功率級(jí)芯片制成白光 LED，其 F=18 lm。2歡迎下載精品文檔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(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

11、敏度在= 555nm 處有一個(gè)最大值 680 lm/w 。若視覺靈敏度記為 K，則發(fā)光能量 P 與可見光通量 F 之間關(guān)系為 P= P d ； F= K Pd 發(fā)光效率量子效率 =發(fā)射的光子數(shù) /pn 結(jié)載流子數(shù) =（ e/hcI ） P d 若輸入能量為 W=UI，則發(fā)光能量效率 P=P/W若光子能量 hc=ev, 則 P ，則總光通 F=（ F/P ） P=K PW式中 K= F/P 流明效率： LED的光通量 F/ 外加耗電功率 W=K 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。以下列出幾種常見LED流明效率（可見光

12、發(fā)光效率）：LED發(fā)光顏色 p（ nm） 材料 可見光發(fā)光效率（ lm/w ） 外量子效率最高值 平均值紅光黃光 590 GaP:N-N 0.45 0.1綠光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.0150.15藍(lán)光 465 GaN10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)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應(yīng)為= i c e ，式中 i向?yàn)?p、n 結(jié)區(qū)少子注入效率， c 為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率， e 為外部出光（光取出效率）效率。由于 LED 材料折射率很高i 3.

13、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）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）覆蓋在芯片表面；把芯片晶體表面加工成半球形； 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)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

14、 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， 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

15、升后，亮度呈飽和狀態(tài)。2.6 壽命。3歡迎下載精品文檔老化： LED發(fā)光亮度隨著長時(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=BOe-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。測定t 要花很長的時(shí)間，通常以推算求得壽命。測量方法：給LED 通以一定恒流源，點(diǎn)燃103 104 小時(shí)后，先后測得 BO， Bt=100010000 ，代入 Bt=BOe-t/ 求出；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(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 1020 mA長時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。 若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或 p 就會(huì)向長波長漂移，BO也會(huì)下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對 LED 的可靠