LED主要參數(shù)及電學(xué)

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)：?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)vva，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1v，紅色gaasp為1.2

2、v，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) ：v0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(chēng)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(lèi)不同，各種led的反向擊穿電壓vr也不同。 1.2

3、c-v特性 鑒于led的芯片有99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，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pf m 當(dāng)流過(guò)led的電流為if、管壓降為uf則功率消耗為p=ufif 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

4、）。 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。 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、

5、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(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(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

6、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(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(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

7、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l(wèi)ed 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 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈 是藍(lán)色ingan/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(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

8、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p表示。只有單色光才有p波長(zhǎng)。 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(duì)應(yīng)p-，p+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

9、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。可見(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1 lm，白光led的f1.51.8 lm（小芯片），對(duì)于1mm1mm的功率級(jí)芯片制成白光led，其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)

10、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)靈敏度在 = 555nm處有一個(gè)最大值680 lm/w。若視覺(jué)靈敏度記為k，則發(fā)光能量p與可見(jiàn)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 流明效率：led的光通量f/外加耗電功率w=kp 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)

11、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 p（nm） 材料可見(jiàn)光發(fā)光效率（lm/w） 外量子效率 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:n-n 0.45 0.1 綠光 555 gap:n 4.2 0.7 0.0150.15 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

12、內(nèi)部發(fā)光的一部分，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(shì)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(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

13、.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。 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14108nit。 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

14、，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(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。 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)量方法：給led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/求出；再把bt=1/2bo代入，可求出壽命t。 長(zhǎng)期以來(lái)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(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if10ma，或者1020 ma長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮led