完整版發(fā)光二極管主要參數(shù)與特性

1、發(fā)光二極管主要參數(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) 光光強指向特性、時間特性以及熱學(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：正向死 區(qū)：(圖oa 或oa段) a點對于Vo 為開啟電 壓，當(dāng)V v Va,外加電 場尚克服 不少因載 流子擴散Vr擊反向死區(qū)穿_區(qū)正向死區(qū)工作區(qū)VFVI-V特性曲線而形成勢壘電場，此時R很大；開啟電壓對于不同LED其值

2、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 s為反向飽和電流 。V0時，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 v 0時pn結(jié)加反偏壓V= - VR 時，反向漏電流 |R(V二-5V)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(yīng)Ir 為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使 V V - Vr時，貝y出現(xiàn)Ir突 然增加而出現(xiàn)擊

3、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 X 9mil (250 X 250um) , 10X 10mil , 11 X 11mil (280 X 280um) , 12 X 12milC0 -C0V(300 X 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1MH Z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、圖2 LED C-V特性曲線管壓降為Uf則功率消耗為 P=UfX IfLED工作時，外加偏

4、壓、偏流一定促使載流子復(fù)合發(fā)岀光，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，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)時間響應(yīng)時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 示 LCD （液晶顯示）約 10-310-5S，CRT、PDP、LED 都達到 10-610-7S （us 級）。 響應(yīng)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、tf。圖中to值很小，可忽略。 響應(yīng)時間 主要取決于載 流子壽命、器 件的結(jié)電容及 電路阻抗。LED的點亮?xí)r 間一一上升時 間tr是指

5、接通 電源使發(fā)光亮 度達到正常的 10%開始，一直 到發(fā)光亮度達 到正常值的 90%所經(jīng)歷的 時間。LED熄滅時間一一下降時間tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。不同材料制得的 LED響應(yīng)時間各不相同；如 GaAs、GaAsP、GaAIAs其響應(yīng)時間v 10-9s， GaP為10-7 S。因此它們可用在 10100MH z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)光法向光強及其角分布I o2.1.1 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(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透

6、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90。當(dāng)偏離正法向不同0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I o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）為獲得高指向性的角分布（如圖 1） LED管芯位置離模粒頭遠些;:仍 2.10211-:上 23:圖2圖指 向性弱性強2 （1/2 大2?。?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 2 0 1/2 = 6 左右，大大提高了指 向性。當(dāng)前幾種常 用封裝

7、的散射角（2 0 1/2 角）圓形 LED: 5、10、 30、 452.2發(fā)光峰值波長及其光譜分布 LED 發(fā)光強度或光功率輸岀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(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)。下圖繪岀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1 P一 H2 34/7T x A一”_古、人眼丨|/1 Iill”i 、1/J 、感光=1 Ik60.611( 1 Zl 11I y |l丿 f、I1；r

8、 I J, / !I/|111 |ie.z 1I/0.4=/ 1 1；!J ( 1 z- JIA/ M 1 V1L.2-，/ 加 aoo3CUoc530 600 7001-33LED光譜分布曲線1藍光In GaN/GaN 2綠光GaP:N 3紅光 GaP:Z n-04紅夕卜GaAs5 Si光敏光電管6標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈 是藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰入p = 460465nm； 是綠色 GaP:N的LED,發(fā)光譜峰 入p = 550nm； 是紅色 GaP:Zn-0的LED,發(fā)光譜峰 入p = 680700nm； 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰 入p = 910nm； 是Si光電二

9、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（光輸岀最大），與之相對應(yīng)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(cè)士入處，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(yīng) 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(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)岀主要單色光的波長。單色性越

10、好，則入p也就是主波長。如GaP材料可發(fā)岀多個峰值波長，而主波長只有一個，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總光輸岀的輻射能量，它標(biāo)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(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽?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(guān)。目前單色LED的光通量最大約 1 lm,白光LED的F1.51.8 Im （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

11、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芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射岀光能量（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。人的視覺靈敏度在入=555nm處有一個最大值680 lm/W。若視覺靈敏度記為 K入，則發(fā)光能量 P與可見光通量 F之間關(guān)系為 P=/P dx ；F=/ K x P入 dx 發(fā)光效率量子效率n =發(fā)射的光子數(shù)/ pn 結(jié)載流子數(shù)=（e/h）/x Pxd 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nn p，則總光通F=（ F/P

12、） P=KW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。 以下列岀幾種常見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-02.41213紅光660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黃光590GaP： N-N0.450.1綠光555GaP: N4.20.70.0150.15藍光465GaN10白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18品

13、質(zhì)優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)岀的光盡可能多，即外部效率要高。 事實上, LED向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應(yīng)為n =n i n cn e ， 式中n i向為P、n結(jié)區(qū)少子注入效率，n c為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)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 n i3 .6。當(dāng)芯片發(fā)岀光在晶體材料與空氣界面時（無環(huán)氧封裝） 若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（ m+1） 2=0.32，反射岀的占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岀光效率。為了進一步提高外部岀光效率ne可采取以下措施：用折射率較高的透明材料

14、（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(shù)，具有很強方向性。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)。晴朗的藍天和熒光燈的表面亮度約為 7000Ni

15、t （尼特），從地面看太陽表面亮度約為14X 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GaP NGaR Zn-0 x A/cmtj通常把亮度降到 Bt=1/2Bo所經(jīng)歷的時間t稱為二極 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=1OOO10000，代入Bt=Bo e-t/ t求 岀t;再把Bt=1/2B o代入，可求岀壽命 to長期以來總認為 LED壽命為106小時，這是指單個 LED在I F=20mA下。隨著功率型 LED開發(fā)應(yīng)用，國外 學(xué)者認為以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。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 間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(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/ t，Bt為 t時間后的亮度，Bo為初始亮度。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Ifv 10mA，或者1020