發(fā)光二極管主要參數與特性精

1、發(fā)光二極管主要參數與特性（精）發(fā)光二極管主要參數與特性LED是利用化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電 學特性：I-V特性、C-V特性和光學特性：光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性、 時間特性以及熱學特性。1.1 I-V特性表征LED芯片pn結制備性能主要參數。LED的I-V特性具有非 線性、整流性質：單向導電性，即外加正偏壓表現低接觸 電阻，反之為高接VR擊作唳町區(qū)穿 IX圖I-V特性曲線1、LED電學特性而形成勢壘電場，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

2、區(qū)：電流If與外加電壓呈指數關系If = is (e qVF/KT _1)1s為反向飽和電流。V > 0時，V > VF的正向工作區(qū)IF隨VF指數上升IF = Is e qVF/KT(3) 反向死區(qū)：V v 0時pn結加反偏壓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)VV- VR , VR稱為反向擊穿電壓；VR電壓對應IR為反向漏電 流。當反向偏壓一直增加使V V - Vr時，貝P出現Ir突然正向死區(qū)增加而出現擊穿現象。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 L

3、ED 的芯片有 9 X 9mil (250 X 250um) ,10X 10mil , 11 XC0 一11mil (280 X 280um) , 12X 12mil(300 X 300um )，故 pn 結面積大 小不一，使其結電容(零偏壓)cn+pf 左右。C-V特性呈二次函數關系(如 圖2)。由1MH Z交流信號 用C-V特性測試儀測得。當流過LED的電流為If、圖2 LED C-V特性曲線管壓降為UF則功率消耗為P=U XhLED工作時，外加偏壓.偏流一定促使載流子復合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊幔菇Y溫升 高。若結 溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta,則當Tj>Ta時，內部熱量借助管座向

4、外傳熱，散逸熱 量（功率），可表示 為 P=Kr （Tj-Ta ） o 1.4響應時間響應時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?，F有幾種顯Zj LCD （液晶顯示）約 10 心？ 10%, CRT、PDP、LED 都達到 lOAlOAS（M?級）。 響應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 o圖中to值很小，可忽略。T 1響應時間主要取決于載 流子壽命.器件 的結電容及電 路阻抗。J -tLED的點鳧時I間一一上升時相對亮度> |間tr是指接通第匕十度達到正常的10%開始，一 ！oz L4ZI 直到發(fā)光亮度oWbr? t達到正常值的 totrtf90%所

5、經歷的時間。LED熄滅時間一一下降時間h是指正常發(fā)光減弱至原來的 10%所經歷的時間。不同材料制得的LED響應時間各不相同；如GaAsA GaAsP. GaAlAs 其響應時間V10"s, GaP為10- 7So 因此它們可用在10? 100MHz高頻系統(tǒng)。2 LED光學特性發(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，后者可用光度學來量度其光學特性。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9 （r

6、 o當偏離正法向不同e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“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）LED管芯位置離模粒頭遠些；圖2指向性弱（2 0 1/2大）（1）為獲得高指向性的角分布（如圖 1） 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒 頭；封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射齊I。采取上述措施可 使LED 2 0 1/2 = 6 左右，大大提高了指向性。（2）當前幾種常 用封裝的散射角圓形 LED: 5 °、10°、30 °、452.2發(fā)光峰值波長及其光譜

7、分布LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線一一光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。下圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜響應曲線。其中LED光譜分布曲線1 藍光 InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-04紅外GaAs 5 Si光敏光電管6標準鴇絲燈 是藍色InGaN/GaN 發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰入p = 460 ? 465nm ; 是綠色GaP:N的LED,發(fā)光

8、譜峰入p = 550nm ; 是紅色GaP:Zn-0的LED,發(fā)光譜峰 入p = 680 ? 700nm ; 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰 入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,都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用入p表示。只有單色光才有入p波長。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側土入處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應入p- 入，入p+ 入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，LED半寬小于40 nm

9、。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，則入p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。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。可見光 LED的光通量單位為流明（Im ）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

10、。目前單色LED的光通量最大約1 lm ,白光LED的F1.51.8 lm （小芯片），對于1mM 1mm 的功率級芯片制成白 光 LED,其 F=18 lm。2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度LED效率有內部效率（pn結附近由電能轉化成光能的效率）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。視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在入=555nm 處有一個最大值680 lm/W 。若視覺靈敏度記為 K x,則發(fā)光能量P與可見光通量F之間關系為P=/P入d入；F= / K 入 Px d

11、x 發(fā)光效率一一量子效率 n =發(fā)射的光子數/ pn結載流子數=（e/h cl） /x R d x若輸入能量為W=UI ,則發(fā)光能量效率n p=P/W若光子能量hc=ev,則n? n p,貝IJ總光通F= （ F/P ） P=KA pW式中K= F/P 流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率 WKn p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x 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700GaP： Zn-02.4121-3紅光660GaA

12、lAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黃光590GaP： N-N0.450.1綠兒555GaP： N4.20.70.015-0.15藍光465GaN10白光XGaN+YAG小芯片1.6,大芯片18品質優(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 是內部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應為 n =n i n5e,八式中n i向為p、n結區(qū)少子注入效率，n c為在勢壘區(qū) 少子與多子復合效率，n e為外部出光（光取出效率）效率。由于LED材料折射率很高n3 .6。當芯片發(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

13、氣反射，反射率為（ni-1 ） 2/ （ni+1 ） 2=0.32 ,反射出的占32%,鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。為了進一步提高外部出光效率 ne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大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸收。有人曾經用n= 2.42.6 的低熔點玻璃成分As-S (Se) -Br (l)且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAIAs的LED效率提高46倍,2.5 發(fā)光亮度亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數，具有很強方向性。其正法線方向的亮度B

14、o=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所輻射的光通量，單位為cd/m 2或Nit若光源表面是理想漫反射面）亮度Bo與方向無關為常數。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 X 108Nit。J=tLED亮度與外加電流密度有關，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，環(huán)境溫度升高，nc （復合效率）下降， Bo減小。當環(huán)境溫度不變，電GaP NGaR Zn-0 -流增大足以引起pn結結溫升高，溫升 后，亮度 呈飽和狀態(tài)。2.6 壽命t A/cmf老化：LED發(fā)光亮

15、度隨著長時間工作而出 現光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外加恒流 源的大 小有關，可描述為 Bt=Bo e-t/ t, Bt為t時間 后的亮度，Bo為初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2B o所經歷的時間t稱為二極I '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=1OOO ? 10000，代入 Bt=B o e-t/-'、t求出t；再把Bt=1/2B o代入，可求出壽命to長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在lF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應用，國外 學者認為以LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。H7如LED的光衰減為原來 35% ,壽命6000h 。13熱學特性LED的光學參數與pn結結溫有很大的關系。一般工作在小電流Ifv 10mA ,或者1020 mA長時間連續(xù)點亮LED