LED發(fā)光二極管分類及發(fā)光材質(zhì)介紹精品

1、LED （發(fā)光二極管）分類及發(fā)光材質(zhì)介紹LED 技術(shù)指標介紹LED 顯示屏的相關(guān)知識2009-10-07 14:47 閱讀 104 評論0字號： 大 中 小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)型器件的電學特性：I-V 特性、 C-V 特性和光學特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。1 、 LED 電學特性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） 正向死區(qū)：（圖oa 或 oa段） a 點對于 V

2、0 為開啟電壓，當 V< Va，外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場，此時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。V> 0 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< 0 時 pn 結(jié)加反偏壓V= - VR 時，反向漏電流IR（ V= -5V）時， GaP 為 0V，GaN 為 10

3、uA。（ 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。當反向偏壓一直增加使V< -VR 時，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 （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

4、 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當流過 LED 的電流為IF、 管壓降為UF 則功率消耗為P=UF×IFLED 工作時，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。 現(xiàn)有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-310-5S ， CRT、 PDP、 LED 都達到 10-610

5、-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 t0 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 的點亮時間上升時間 tr 是指接通電源使發(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 、 GaAlAs 其響應(yīng)時間10-9S ， GaP 為 10-7 S。因此它們可用在10100MHZ 高頻系統(tǒng)。2 LED

6、光學特性發(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，后者可用光度學來量度其光學特性。2.1 發(fā)光法向光強及其角分布I2.1.1 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 °。當偏離正法向不同角度，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 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 ） LE

7、D 管芯位置離模粒頭遠些； 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 2 1/2 = 6 °左右，大大提高了指向性。 當前幾種常用封裝的散射角（ 2 1/2 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)色度學參數(shù)亦隨之而定。LED 的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、 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

8、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 藍光 InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O4 紅外 GaAs 5 Si 光敏光電管6 標準鎢絲燈 是藍色 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

9、料制成的LED ，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個波長，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，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應(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)出主要單色光的波長。單色性越好，則p 也就是主波長。如

10、 GaP 材料可發(fā)出多個峰值波長，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 總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(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（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

11、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中一些參量。人的視覺靈敏度在= 555nm 處有一個最大值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= Pd ； 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 ）P d 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=

12、（ 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=K 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。以下列出幾種常見LED 流明效率（可見光發(fā)光效率）：LED 發(fā)光顏色p（ nm）材料可見光發(fā)光效率（lm/w）外量子效率 最高值 平均值紅光 700660650 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP 2.40.270.3 8 120.50.5 130.30.2黃光 590 GaP:N-N 0.45 0.1綠光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.0150.15藍光 465 Ga

13、N 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 向為 p 、 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i 3.6。當芯片發(fā)出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/（ n1+1 ） 2=0.32 ，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。為了

14、進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（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

15、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 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/ ， Bt 為 t時間后的亮度，BO 為初始亮度

16、。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=100010000 ，代入 Bt=BO e-t/求出；再把 Bt=1/2BO 代入，可求出壽命t。長期以來總認為LED 壽命為 106 小時，這是指單個LED在 IF=20mA 下。隨著功率型LED 開發(fā)應(yīng)用，國外學者認為以 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 。3 熱學特性LED 的光學參數(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 長時間連續(xù)點