LED主要參數(shù)及電學(xué)光學(xué)熱學(xué)特性

1、LED主要參數(shù)及電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)特性     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)。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)

2、 正向死區(qū)：（圖oa或oa段）a點(diǎn)對于V0 為開啟電壓，當(dāng)VVa，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 。    V0時(shí)，VVF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

3、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

4、 (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）Cn+pf左右。    C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系（如圖2）。由1MHZ交流信號用C-V特性測試儀測得。    1.3 最大允許功耗PF m    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(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

5、Ta，則當(dāng)TjTa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）。    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)電容及電路阻抗。 &#

6、160;  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。

7、60;   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

8、）    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LED 21/2 = 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°、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

9、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/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O    4 紅外GaAs 5 Si光敏光電管 6

10、 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈    是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰p = 460465nm；    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 = 680700nm；    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），

11、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

12、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?？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1 lm，

13、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(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(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。人的視覺靈敏度在 = 555nm處有一個(gè)最大值680 lm/

14、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=Pd ； F=KPd    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）Pd    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=KPW 式中K= F/P         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

15、，總的發(fā)光效率應(yīng)為     =ice ，式中i向?yàn)閜、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i3.6。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

16、.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。  

17、;   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，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(shí)間

18、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。      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=BO e-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IF10mA，或者1020 mA長