LED主要參數(shù)與特性(精)

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)：?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01段)a點(diǎn)對(duì)于V0為開(kāi)啟電壓，當(dāng)VVVa,外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng)，此時(shí)R很大；開(kāi)啟電壓對(duì)于不同LED其值不同，GaAs為IV,紅色GaAsP為1.2V,GaP為1.8V,GaN為2.5V

2、。(2) 正向工作區(qū)：電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系IF=IS(eqVF/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=ISeqVF/KT(3) 反向死區(qū)：VV0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OV,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(duì)應(yīng)IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使VV-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9x9mil(250x250um),lOxlO

3、mil,llxllmil(280x280um),12x12mil(300x300um),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(hào)用C-V特性測(cè)試儀測(cè)得。1.3最大允許功耗PFm當(dāng)流過(guò)LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UFxIFLED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?，F(xiàn)有幾種顯

4、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(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tO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。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(kāi)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)間一一下降時(shí)間tf是指正常發(fā)光減弱至原來(lái)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V10-9S,GaP為10-7S。因此它們可用在10-100MHZ

5、高頻系統(tǒng)。2LED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)量度其光學(xué)特性。2.1發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布I02.1.1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0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。2.1.2發(fā)光強(qiáng)度的角分布I0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1） LED管芯位

6、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(shù)脂中勿加散射劑。采取上述措施可使LED201/2=6°左右，大大提高了指向性。當(dāng)前幾種常用封裝的散射角（201/2角）圓形LED：5。、10。、30。、45。2.2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、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)。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

7、光譜分布曲線1藍(lán)光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O4紅外GaAs5Si光敏光電管6標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈 是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰九p=460465nm； 是綠色GaP:N的LED，發(fā)光譜峰九p=550nm； 是紅色GaP:Zn-0的LED，發(fā)光譜峰九p=680700nm； 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰九p=910nm； 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)，用九p表示。只有單色光才有九p波長(zhǎng)。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)土九處，存在兩

8、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)九p-九，九p+九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40nm。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，則九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L(zhǎng)ED向各個(gè)方向發(fā)光的能量

9、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?jiàn)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1lm，白光LED的FT.51.8lm（小芯片），對(duì)于lmmxlmm的功率級(jí)芯片制成白光LED,其F=18lm。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量（發(fā)光量）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)中一些參量。人的視覺(jué)靈敏

10、度在九=555nm處有一個(gè)最大值680lm/w。若視覺(jué)靈敏度記為K兒則發(fā)光能量P與可見(jiàn)光通量F之間關(guān)系為P=P九d九；F=K九P九d九 發(fā)光效率量子效率耳=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=（e/hcl）fXPXdX若輸入能量為W=UI,則發(fā)光能量效率nP=P/W若光子能量hc=ev，則n-nP，則總光通F=（F/P）P=KnPW式中K=F/P 流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率W=KnP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)光的能量較大，故也叫可見(jiàn)光發(fā)光效率。以下列出幾種常見(jiàn)LED流明效率（可見(jiàn)光發(fā)光效率）：LED發(fā)光顏色九p（nm）材料可見(jiàn)光發(fā)光效率（

11、lm/w）外量子效率最高值平均值紅光700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.5130.30.2黃光590GaP:N-N0.450.1綠光555GaP:N4.20.70.0150.15藍(lán)光465GaN10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n=nincne，式中ni向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入效率，nc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材料折射率很高幣-3.6。當(dāng)芯

12、片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)（無(wú)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(duì)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ne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

13、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(wú)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(yáng)表面亮度約為14xlO8Nit。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

14、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/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(cè)定t要花很長(zhǎng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命。測(cè)量方法：給LED通以一定恒流源，點(diǎn)燃103104小時(shí)后，先后測(cè)得BO，Bt=100010000，代入Bt=BOe-t/T求出t；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的光衰減百分比數(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IFV10mA,或者1020mA長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，L