LED主要參數(shù)與特性

1、LED主要參數(shù)與特性深圳 led 面板燈賽德利照明認為 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)型器件的電學特性：I-V特性、C-V 特性和光學特性： 光譜響應特性、 發(fā)光光強指向特性、 時間特性以及熱學特性。本文將為你詳細介紹。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 導電性，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。I-V特性曲線圖 1 LED如圖 1:(1)正向死區(qū)：(圖 oa或 oa段)a點對于 V0 為開啟電壓，當 V vVa,外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成

2、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:I-V特性曲線擊穿區(qū)IF = IS e qVF/KTV-V 特性曲線(3)反向死區(qū)：VV0 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 10uA。(4)反向擊穿區(qū) V V - VR , VR 稱為反向擊穿

3、電壓；VR電壓對應 IR為反向漏電流。 當反向偏壓一直增加使V V - VR 時，那么出現(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 9X 9mil (250 x 250um), 10 x 10mil , 11 x 11mil (280 x 280um), 12 x 12mil (300 x300um)，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)關系(如圖 2)。由 1MHZ 交流信號用 C-V特性測試儀測得。V-V特性曲線CI1; L I 1II | I I

4、 BIL I I J .-3 -2 -1 .M 12 3 4 V圖 2 LED C-V特性曲線1.3最大允許功耗 PFm當流過 LED 的電流為 IF、管壓降為 UF 那么功率消耗為 P=UF X IF. LED 工作時，外加偏 壓、偏流一定促使載流子復合發(fā)出光，還有一局部變?yōu)闊幔菇Y(jié)溫升高。假設結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為 Ta,那么當 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響應時間響應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 都到達 10

5、-610-7S (us 級)。1.響應時間從使用角度來看，就是LED 點亮與熄滅所延退的時間，即圖3中 tr、tf。圖中 t0值很小，可忽略。V-V特性曲線2響應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 的點亮時間一一上升時間 tr是指接通電源使發(fā)光亮度到達正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度到達正常值的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響應時間各不相同；如 GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應時間 v 10-9S, GaP 為10-7 S。因此它們可用在 10-100MHZ 高頻系統(tǒng)。2、

6、LED 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 I 02.1.1 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 0 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* J0相對亮圜V-V特性曲線藝包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否為獲得高

7、指向性的角分布如圖4)tD Q.80.S0.4 O.e 0 O.e0 60.8 I D圖 41LED 管芯位置離模粒頭遠些；2使用圓錐狀子彈頭的模粒頭;3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。 當前幾種常用封裝的散射角2 0 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，繪成一條分布曲線一一光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(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)

8、等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。V-V 特性曲線圖 5 LED 光譜分布曲線1.藍光 InGaN/GaN 2.綠光 GaP: N3.紅光 GaP: Zn-O4.紅外 GaAs5.Si光敏二極管6.標準鴇絲燈圖 5 繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED 光譜響應曲線。其中1是藍色 InGaN/GaN 發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰 入 p = 460465nm ;2是綠色 GaP:N的 LED，發(fā)光譜峰 入 p = 550nm ;3是紅色 GaP:Zn-O的 LED，發(fā)光譜峰入 p = 680700nm ;4是紅外 LED 使用 GaAs 材料，發(fā)光譜峰 入 p = 910nm；5是 Si

9、光電二極管，通常作光電接收用。由圖 5 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出最大，與之相對應有一個波長，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)左 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

10、到的，由LED 發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，那么 入 p 也就是主波長。如 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。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 向外輻射的功率一一光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關。 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 X 1

11、mm 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1LED 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。2視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在入=555nm處有一個最大值 680 lm/w，假設視覺靈敏度記為 K入，那么發(fā)光能量 P 與可見光通量 F 之間關系為 P=/ P入 d入；F=/ K入 P入 d入3發(fā)光效率一一量子效率 Y=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=e/hcI /入 P入 d入。假設 輸入

12、能量為 W=UI，那么發(fā)光能量效率YP=P/W假設光子能量 hc=ev，那么門 q 門 P,那么總光通 F=F/P P=K r PW 式中 K= F/P。4流明效率：LED 的光通量 F/外加耗電功率 W=K r 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。以以下出幾種常見 LED 流明效率可見光發(fā)光效率：V-V 特性曲線品質(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)光的一局部，總的發(fā)光效率應為 Y=門 i r ct e,式中門 i向為 p、n 結(jié)區(qū)少

13、子注入效率，r c 為在勢壘區(qū)少子與多子復合效率，Ye為外部出光光取出效率效率。由于 LED 材料折射率很高門 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 封裝假設垂直入射，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局部的吸收，于是大大降低了外部出光效率。為了進一步提高外部出光效率Ye 可采取以下措施：1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外表；2把芯片晶體外表加工成半球形；3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-SSe-BrI且熱

14、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)光體外表亮度等于發(fā)光體外表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。V-V 特性曲線假設光源外表是理想漫反射面，亮度BO與方向無關為常數(shù)。晴朗的藍天和熒光燈的表面亮度約為 7000Nit 尼特，從地面看太陽外表亮度約為14X 108Nit。LED 亮度與外加電流密度有關，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

15、度有關，環(huán)境溫度升高，門 c 復合效率下降， 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，可描述為Bt=BO e-t/T, Bt 為 t時間后的亮度，BO 為初始亮度。V-V 特性曲線通常把亮度降到 Bt=1/2B0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 B0 ,Bt=100010000，代入 Bt=B0 e-t/ c求出 c ;再把 Bt=1/2B0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)溫有很大的關系。 一般工作在小電流 IF v 10mA