LED發(fā)光二極管分類(lèi)及發(fā)光材質(zhì)介紹

1、LED發(fā)光二極管分類(lèi)及發(fā)光材質(zhì)介紹LED技術(shù)指標(biāo)介紹LED顯示屏的相關(guān)知識(shí)2021-10-07 14:47閱讀104評(píng)論0字號(hào)：大中小LED電子顯示屏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)。LEI的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：?jiǎn)蜗驅(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(duì)于V0為開(kāi)啟電壓，當(dāng)V0時(shí)，VVF的正向工作區(qū)IF隨VF指數(shù)上升IF = IS

2、e qVF/KT(3)反向死區(qū)：Vv 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,GTa時(shí)，內(nèi)部熱雖借助管座向外傳熱，散逸熱雖功率,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都到達(dá)10-610-7S us級(jí)。1響應(yīng)時(shí)間從使用角度來(lái)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。2響應(yīng)時(shí)間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED的點(diǎn)亮?xí)r間一一上升時(shí)間tr是指接通電源使發(fā)光亮度到達(dá)正常

3、的10%始，一直到發(fā)光亮度到達(dá)正常值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。LED熄滅時(shí)間一一下降時(shí)間tf是指正常發(fā)光減弱至原來(lái) 的10%/f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 GaAsPGaAlAs其響應(yīng)時(shí)間 v10-9S , GaP為10-7 S。因此它們可用在10100MH福頻系統(tǒng)。2 LED光學(xué)特性發(fā)光二極管有紅外非可見(jiàn)與可見(jiàn)光兩個(gè)系列，前者可 用輻射度，后者可用光度學(xué)來(lái)雖度其光學(xué)特性。2.1發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布I。2.1.1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大雖應(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(qiáng)指向性：位于法向方向光強(qiáng)最大，其

4、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(lài)角方向。2.1.2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(shù)脂中添加散射劑與否為獲得高指向性的角分布如圖11LED管芯位建離模粒頭遠(yuǎn)些；2使用圓錐狀子彈頭的模粒頭；3封裝的環(huán)氧樹(shù)脂中勿加散射劑。采取上述措施可使LED2 91/2 = 6。左右，大大提高了 指向性。 當(dāng)前幾種常用封裝的散射角2。1/2角圓形LED 5、10、30、452.2發(fā)光峰值波長(zhǎng)及其光譜分布LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同，繪成一條分布曲線光譜分布曲

5、線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、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(lèi)、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(wú)關(guān)。以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/GaN 2綠光GaP:N 3紅光GaP:Zn-O4紅外GaAs 5 Si光敏光電管6標(biāo)準(zhǔn)鴇絲燈1是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰入p = 460465nmj2是綠色GaP:N的LED,發(fā)光譜峰入p = 550nm ;3是紅色GaP:Zn-O的LED發(fā)光譜峰入p = 680700nm4是紅外L

6、ED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰入p = 910nm ;5是Si光電二極管，通常作光電接收用。由圖可見(jiàn)，無(wú)論什么材料制成的LED,都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處光輸出最大，與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng)，用入p表示。只有單色光才有入p波長(zhǎng)。 譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)土 入處，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(duì)應(yīng)入p-入，入p+入之間寬度叫譜線寬度，也稱(chēng)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(zhǎng)：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長(zhǎng)；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(zhǎng)。主

7、波長(zhǎng)就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長(zhǎng)。單色性越好,那么入p也就是主波長(zhǎng)。如GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)只有一個(gè)，它 會(huì)隨著LED長(zhǎng)期工作，結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)波。2.3光通雖光通雖F是表征LED總光輸出的輻射能雖,它標(biāo)志器件的 性能優(yōu)劣。F為L(zhǎng)ED向各個(gè)方向發(fā)光的能雖之和，它與工作 電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED光通雖隨之增大?？梢?jiàn)光LED的光通雖單位為流明lm。LED向外輻射的功率一一光通雖與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色LED的光通雖最大約1lm,白光LED的FQ1.51.8 lm小芯片,對(duì)于1mm 1m的功率級(jí)芯片制成白光LED,其

8、F=18 lm。2.4發(fā)光效率和視覺(jué)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(lái)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雖發(fā)光雖與輸入電能之比，即發(fā)光效率。 視覺(jué)靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參雖。人的視覺(jué)靈敏度在入=555nm處有一個(gè)最大值680 lm/w。假設(shè)視覺(jué)11111111111111綠光555 GaP:N 4.2 0.7 0.0150.15靈敏度記為K入，那么發(fā)光能雖P與可見(jiàn)光通雖F之間關(guān)系為P=f P入d入；F= / K入P入d入3發(fā)光效率一一雖子效率*=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=(e/hcI )/

9、入P入d入假設(shè)輸入能雖為 W=U|貝 U 發(fā)光能雖效率* P=P/W假設(shè)光子能雖hc=ev,那么* qnP，那么總光通F= (F/P) P=nPW式中K= F/P4流明效率：LED的光通雖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(jiàn)光的能H較大，故也叫可見(jiàn)光發(fā)光效率。以以下出幾種常見(jiàn)LED流明效率(可見(jiàn)光發(fā)光效率)：LED發(fā)光顏色 入p ( ng材料可見(jiàn)光發(fā)光效率(lm/w)外雖子效率最高值平均值紅光700660650 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP 2.40.270.38 120.50.5 130.30.2黃光590 GaP:

10、N-N 0.45 0.111111111111111局46倍。藍(lán)光465 GaN 10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雖大,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)光的一局部，總的發(fā)光效率應(yīng)為x = x iTcTe，式中r i向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入效率，n c為在勢(shì)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(shí)無(wú)環(huán)氧封裝假設(shè)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(duì)光有相當(dāng)

11、一局部的吸收，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(shù)脂n=1.55并不理想覆蓋在芯片外表； 把芯片晶體外表加工成半球形； 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-SSe-BrI且熱塑性 大11111111111111局46倍。的作封帽，可使紅外GaAs GaAsP GaAlAs的LED效率提111111111111112.5發(fā)光亮度亮度是LED發(fā)光性能乂一重要參數(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)光體外表亮度等于發(fā)光體外表上單位投射面積在單位立

12、體角內(nèi)所輻射的光通雖，單位為cd/m2或Nit。假設(shè)光源外表是理想漫反射面，亮度BO與方向無(wú)關(guān)為常數(shù)。晴朗的藍(lán)天和熒光燈的外表亮度約為7000Nit尼特,從地面看太陽(yáng)外表亮度約為14 x 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，nc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(zhǎng)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=BO e-t/ Bt為t時(shí)間后的亮度,BO為初始亮度

13、。通常把亮度降到Bt=1/2BO所經(jīng)歷的時(shí)間t稱(chēng)為二極管的 壽命。測(cè)定t要花很長(zhǎng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命。測(cè)雖 方法：給 LED11111111111111通以一定恒流源，點(diǎn)燃 103 104 小時(shí)后，先 后測(cè)得 BO ,Bt=100010000,代入 Bt=BO e-t/ 1 求出再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命to長(zhǎng)期以來(lái)總認(rèn)為L(zhǎng)ED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(kāi)發(fā)應(yīng)用，國(guó)外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減白分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來(lái)35%壽命6000ho3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 v 10mA或者1020 mA長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升 不明顯。假設(shè)環(huán)境溫度較高，LED的主波長(zhǎng)或入p就會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移，BO也會(huì)下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)LEt的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)