(完整版)發(fā)光二極管主要參數(shù)與特性.docx

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(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。1、LED電學(xué)特性1.1I-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。II FV R0擊反向死區(qū)工作區(qū)V F V穿正向死區(qū)區(qū)I R圖I-V特性曲線如左圖：(1) 正 向 死區(qū)：（圖 oa 或 oa段）a 點(diǎn)對(duì)于 V0為開啟電壓，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)

2、壘電場(chǎng)，此時(shí) R 很大；開啟電壓對(duì)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I F 與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系IF = I S (e qV F/KT 1)-I S 為反向飽和電流。V0 時(shí)， V VF 的正向工作區(qū) I F 隨 VF 指數(shù)上升 IF = IS e qV F/KT （3）反向死區(qū) ：V0 時(shí) pn 結(jié)加反偏壓V= - V R 時(shí)，反向漏電流I R（ V= -5V ）時(shí)，GaP為 0V ，GaN 為 10uA。（4）反向擊穿區(qū) V- V R ， VR 稱為反向擊穿電壓； VR 電壓對(duì)

3、應(yīng) IR 為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使 V- V R 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99mil (250 250um) ，10 10mil ，11 11mil (280 280um) ，12 12milC(300 300um) ，故 pn 結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容（零偏壓）0Cn+pf 左右。CC-V 特性呈二次函數(shù)關(guān)系C0 （如圖 2）。由 1MH Z 交流信號(hào)用C-V 特性測(cè)試儀測(cè)得。V1.3 最大允許功耗PF m當(dāng)流過LED的電流為IF 、圖2 LED

4、 C-V特性曲線管壓降為U F 則功率消耗為P=U F IFLED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)闊幔菇Y(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)有幾種顯示 LCD （液晶顯示）約 10 -3 10-5S， CRT、 PDP、 LED 都達(dá)到 10-6 10-7S（ us 級(jí)）。 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。I

5、 F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)相對(duì)亮度間 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 10-9 S，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(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。2.1 發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布I 2

6、.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(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。

7、當(dāng)前幾種常用封裝的散射角（21/2 角）圖2指向性弱（ 21/2 大）圓形 LED： 5、圖1 指向性強(qiáng)（ 21/2?。?0、 30、 452.2 發(fā)光峰值波長及其光譜分布 LED 發(fā)光強(qiáng)度或光功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。其中人眼感光LED光譜分布曲線1 藍(lán)光 InGaN/GaN2綠光 GaP:N 3紅光 Ga

8、P:Zn-O4 紅外 GaAs5 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 = 460 465nm；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 = 680 700nm；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(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，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)

9、，此兩點(diǎn)分別對(duì)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(huì)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

10、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（ 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 F 1.51.8 lm（小芯片），對(duì)于 1mm 1mm 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(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

11、，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/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=P d；F=K P d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光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率

12、。以下列出幾種常見LED 流明效率（可見光發(fā)光效率） ：LED p材料可見光發(fā)光效率外量子效率發(fā)光顏色（ nm）（ lm/w ）最高值平均值700GaP: Zn-O2.41213紅光660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黃光590GaP: N-N0.450.1綠光555: N4.20.70.0150.15GaP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= i c e ，式中 i 向?yàn)?p

13、、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 i 3.6。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（/）2=0.3232%，鑒于晶體本n1 -1） 2 （ n1+1，反射出的占身對(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-

14、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 =I O/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/m 2 或 Nit 。c（復(fù)合效率）下降，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 10 8Nit 。LED 亮度與外加電流密度有關(guān)，一般的LED ， JO（電流密度）增

15、加 B O 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，GaP: NGaP: Zn-OB O 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B t=B O e-t/ ， B t 為A/cmt 時(shí)間后的亮度，B O 為初始亮度。通常把亮度降到 BtO所經(jīng)歷的時(shí)間 t 稱為二極=1/2B管的壽命。測(cè)定 t 要花很長的時(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B O ，B t=100010000 ，代入 B t=B O e-t/ 求出；再把B t=1/2B O 代入，可求出壽命t。長期以來總認(rèn)為 LED 壽命為 10 6 小時(shí)，這是指單個(gè)LED 在 I F=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IF 10mA ，或者 1020 mA長