GaN基LED發(fā)光原理及參數(shù)

1、2.1 GaN基LED發(fā)光原理大部分LED是利用MOCVD在襯底材料上異質(zhì)外延而成，目前比較成熟的襯底材料是藍寶石和碳化硅，硅基和ZnO基等其他襯底材料尚未成熟。LED外延片的結(jié)構(gòu)主要包括MIS結(jié)、P-N結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)和量子阱幾種，當前絕大多數(shù)LED均是量子阱結(jié)構(gòu)的。外延片的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。目前使用的大部分燈具是白熾鎢絲燈或者采取氣體放電，而半導體發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光原理則迥然不同。發(fā)光二極管自發(fā)性(Spontaneous)的發(fā)光是由于電子與空穴的復合而產(chǎn)生的。 假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光

2、復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在近PN結(jié)面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。 理論和實踐證明，光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度g有關(guān)，即=1240/Eg電子由導帶向價帶躍遷時以光的形式釋放能量，大小為禁帶寬度Eg，單位為電子伏特（eV。由光的量子性可知，hf= Eg h為普朗克常量,f為頻率，據(jù)f=c/,可得=hc/Eg,當?shù)膯挝挥胾m, Eg單位用電子伏特（eV）時，上式為=1.24um·ev/Eg ，

3、若若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導體材料的Eg應(yīng)在3.261.63eV之間發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙(Direct Bandgap)有關(guān)，圖 1.1(a)是直接帶隙材料。這些材料的導帶最低點與價帶的最高點在同一K空間。所以電子與空穴可以有效地再復合(Recombination)而發(fā)光。而圖 1.1(b)的材料均屬于間接帶隙(IndirectBandgap)，其帶隙及導帶最低點與價帶最高點不在同一K空間，以致電子與空穴復合時除了發(fā)光外，還需要產(chǎn)生聲子(Phonon)的配合，所以發(fā)光效率低7。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙的材料。2.2 大功率LED基本參數(shù)及性能指標1

4、極限參數(shù)的意義 （1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。 （2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 （3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。 （4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2電參數(shù)的意義 （1）光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長0的光強最大，該波長為峰值波長。 （2）發(fā)光強

5、度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發(fā)光1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(mcd)作單位。（3）光譜半寬度:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應(yīng)兩波長之間隔. （4）半值角1/2和視角：1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。 圖3給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。法線AO的坐標為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強

6、度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 （5）正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。 （6） 正向工作電壓VF： 參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。 一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.43V。在外界溫度升高時，VF將下降。 （7）V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。 在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反

7、向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10A以下。LED的電學指標 1、  LED的電流-電壓特性圖圖1所示為LED工作的電流-電壓（I-V）特性圖。發(fā)光二極管具有與一般半導體三極管相似的輸入伏安特性曲線。我們分別對圖中所示的各段進行說明。圖1  LED工作的電流-電壓特性圖OA段：正向死區(qū)VA為開啟LED發(fā)光的電壓。紅色（黃色）LED的開啟電壓一般為0.20.25V,綠色（藍色）LED的開啟電壓一般為0.30.35V。AB段：工作區(qū)在這一區(qū)段，一般是隨著電壓增加電流也跟著增加，發(fā)光亮度也跟著增大。但在這個區(qū)段內(nèi)要特別注意，如果不加任何保護，當

8、正向電壓增加到一定值后，那么發(fā)光二極管的正向電壓會減小，而正向電流會加大。如果沒有保護電路，會因電流增大而燒壞發(fā)光二極管。OC段：反向死區(qū)發(fā)光二極管加反向電壓是不發(fā)光的（不工作），但有反向電流。這個反向電流通常很小，一般在幾A之內(nèi)。在19901995年，反向電流定為10A，19952000年為5A；目前一般是在3A以下，但基本上是0A。CD段：反向擊穿區(qū)發(fā)光二極管的反向電壓一般不要超過10V，最大不得超過15V。超過這個電壓，就會出現(xiàn)反向擊穿，導致LED報廢。2、  LED的電學指標對于LED器件，一般常用的電學指標有以下幾項：·正向電壓 VF：LED正向電流在20mA時的

9、正向電壓。·正向電流 IF：對于小功率LED，目前全世界一致定為20mA，這是小功率LED的正常工作電流。但目前出現(xiàn)了大功率LED的芯片，所以IF就要根據(jù)芯片的規(guī)格來確定正向工作電流。·反向漏電流IR：按LED以前的常規(guī)規(guī)定，指反向電壓在5V時的反向漏電流。如上面所說，隨著發(fā)光二極管性能的提高，反向漏電流會越來越小，但大功率LED芯片尚未明確規(guī)定。·工作時的耗散功率PD：即正向電流乘以正向電壓。3、  LED的極限參數(shù)        對于LED器件，一般常用的極限參數(shù)有以下幾項：

10、83;最大允許耗散功率Pmax=IFH×VFH：一般按環(huán)境溫度為25時的額定功率。當環(huán)境溫度升高，則LED的最大允許耗散功率將會下降。·最大允許工作電流IFM：由最大允許耗散功率來確定。參考一般的技術(shù)手冊中給出的工作電流范圍，最好在使用時不要用到最大工作電流。要根據(jù)散熱條件來確定，一般只用到最大電流IFM的60%為好。·最大允許正向脈沖電流IFP：一般是由占空比與脈沖重復頻率來確定。LED工作于脈沖狀態(tài)時，可通過調(diào)節(jié)脈寬來實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，例如LED顯示屏就是利用這個手段來調(diào)節(jié)亮度的。·反向擊穿電壓VR：一般要求反向電流為指定值的情況下可測試反向電壓VR，反

11、向電流一般為5100A之間。反向擊穿電壓通常不能超過20V，在設(shè)計電路時，一定要確定加到LED的反向電壓不要超過20V。4、  LED的其他電學參數(shù)        在高頻電路中使用LED時，還要考慮以下兩個因素：·結(jié)電容Cj·響應(yīng)時間：上升時間tr，下降時間t f        當LED接在高頻電路中使用時，要考慮到結(jié)電容和上升、下降時間，否則LED無法正常工作。LED的光學指標    

12、    人眼對自然界光的感知有兩個方面：一是光的顏色，二是光的輻射強度。我們將從這兩方面展開討論，進而分析LED的各種光學指標。1、  光的顏色的三種表示法·國際照明委員會色品圖表示法·光的顏色鮮艷度·色溫或相關(guān)色溫下面將逐一對其進行介紹。國際照明委員會色品圖表示法        國際照明委員會（CIE）于1931年研究提出了XYZ色品圖，1960年又在XYZ色品圖的基礎(chǔ)上提出了UCS色品圖。     &#

13、160;  顏色感覺是光輻射源或被物體反射的光輻射作用于人眼的結(jié)果。因此，顏色不僅取決于光刺激，而且取決于人眼的視覺特性。        關(guān)于顏色的測理和標準應(yīng)該符合人眼的觀測結(jié)果。但是，人眼的顏色特性對于不同的觀測者或多或少會有一些差異，因此要求根據(jù)大量觀測者的顏色視覺實驗，確定 一組為匹配等能光譜色的三原色數(shù)據(jù)，即“標準色度觀測者光譜三刺激值”，以此來代表人眼的平均顏色視覺特性，用于色度學的測量和計算。        CIE于1931年在RG

14、B系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用設(shè)想的三原色X、Y、Z（分別代表紅色、綠色和藍色），建立了CIE1931色品圖，如圖1所示。該圖是歸一 化圖，只要標示X、Y值，就可以知道Z的值（Z=1-（X+Y），因而三變量的色品圖就變成X、Y二變量的平面圖。圖1  CIE1931色品圖光的顏色鮮艷度        光的顏色鮮艷度必須用光的主波長d和色純度來表示。目前，LED芯片供應(yīng)商都是用主波長d來表示鮮艷度，而不用峰值波長p來表示。·主波長d：如圖2所示為色品圖，圖中AB為黑體軌跡。設(shè)F點為某一光源在色品圖中的坐標，E點為理想等能

15、量白光的參考光源點，在色品圖標中為(0.3，0.3)。由E點連接F點并延伸交于G點，則G點對應(yīng)的單色波長即稱為F點光源的主波長d。·峰值波長p：光譜發(fā)光強度或輻射功率最大處的對應(yīng)的波長。它是一種純粹的物理量，一般應(yīng)用于波形比較對稱的單色光的檢測。·中心波長：光譜發(fā)光強度或輻射功率出現(xiàn)主峰和次峰時，主峰半寬度的中心點所對應(yīng)的波長。一般應(yīng)用于配光曲線法向方向附近凹進去的、質(zhì)量不好的單色管的檢測。·色純度Pe：如圖2所示，Pe=EF/EG。如果某一光源在色品圖中F點的坐標越靠近G點，那么EF和EG的 長度就越接近相等，Pe越接近1，色純度就越高。色純度通俗地說是指出射光

16、的色坐標靠近CIE1931色品圖上光譜軌跡的程度，靠得越近則純度越高。所 以，若色坐標位于光譜軌道上，則色純度為100%；反之，等能的白光純度則為0%。色純度也是一種生理-心理物理量。·半寬度：光譜發(fā)光強度或輻射功率最大處的一半的寬度（FWHM），簡稱“帶寬”。帶寬越小則顏色越純，顯然它也是純粹的物理量。圖2  主波長示意圖色溫或相關(guān)色溫        白光在照明領(lǐng)域的使用，一般用色溫或相關(guān)色溫表示（有時也用色坐標表示）。光源的顏色有兩方面的意思，即色表和顯色性。色表就是人眼直接觀察光源時所看到 的顏色感

17、覺；光源的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果，即光源使被照有色物體的顏色再次顯現(xiàn)出來的能力，稱為光源的顯色性。        光源發(fā)光的顏色可用色溫Tc表示。當光源所發(fā)射的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時，黑體的這個溫度就稱為光源的顏色溫度，簡稱色溫。        光譜的能量分布和黑體在某一溫度下輻射的相對光譜能量分布相似時，其顏色必定相同。因此分布溫度一定是色溫，如白熾燈、鹵鎢燈發(fā)出光的顏色可用色溫表示； 但對于氣體放電光源，其光譜能量分布很少與

18、黑體的相似，所以這些光源的分布溫度僅能稱為相關(guān)色溫。如黑體鎢絲在2000°F（華氏度1°F= 0.555556K）以上時輻射出的顏色與蠟燭點亮時發(fā)射光的顏色相同，那么鎢絲2000°F以上的溫度就稱為蠟燭光的色溫。        某一光源的相關(guān)色溫的求法是：在CIE1960UCS色品圖中，代表該光源顏色的坐標點向黑體白軌做垂線，與白軌相交點的黑體的色溫即為該光源的相關(guān)色溫。        一般情況下，人們把高色溫稱為冷色調(diào)，把低

19、色溫叫做暖色調(diào)。2、  與光輻射強度有關(guān)的指標相對視敏函數(shù)V（）曲線        對于有不同p的光線，即使光功率一樣，人眼感到的光強度仍是不一樣。人眼對于p=555nm的綠光的靈敏度最高，對該值兩邊波長的靈敏度越來越低。當p<380nm或p>780nm時，即使光源的光能量輻射再強，人眼也對它沒有任何光的感覺。例如在圖3的相對視敏函數(shù)曲線中，對于850nm、880nm、940nm處的線外線，人眼根本看不到。圖3  相對視敏函數(shù)曲線     &#

20、160;  國際照明委員會研究推薦了V（）曲線。當p=555nm時，V（）為最大值1.0；而當p=460nm時，V（）=0.06；當p=660nm時，V（）=0.0608。光通量        光通量是按人眼的光感覺來度量光的輻射功率，即輻射光功率能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當量。表征的符號為，國際通用的光通量單位為流明（lm）。        假設(shè)單色光的波長為i，則該波長的光通量F（i）就等于它的輻射功率P（i）與相對視敏函數(shù)V（i

21、）的乘積，可參見式（1）：F（i）=P（i）×V（i）                    （1）        如果光源的輻射功率波譜為Px()，則總的光通量F（）應(yīng)為各個波長分量光通量的總和，即式（2）：          

22、     （2）        P（）為給定波長的光輻射功率，單位是W。V（）為給定波長的相對視敏函數(shù)。最大流明效率Km為683lm/W（當p=555nm時）。流明效率        人眼受能見度限制，因此對于不同的p，光有不同的最高流明效率：·p=555nm時：最大流明效率（Km）為683lm/W；·p=470nm時：V（）=0.0913，最大流明效率為683×0.0913=62.40

23、lm/W；·p=460nm時：V（）=0.06，最大流明效率為683×0.06=41.00lm/W；·p=450nm時：V（）=0.038，最大流明效率為683×0.038=26.01lm/W；·p=660nm時：V（）=0.0608，最大流明效率為683×0.0608=41.5lm/W；·p=650nm時：V（）=0.107，最大流明效率為683×0.107=73.081lm/W；·p=620nm時：V（）=0.381，最大流明效率為683×0.381=260.223lm/W； &#

24、160;      不同光源組成的白光，其最大流明效率因人眼能見度不同的原因而不同。中色溫區(qū)的最大流明效率會比較高，而高色溫區(qū)和低色溫區(qū)的最大流明效率會比較低。所以對于不同的色溫，其流明效率會不一樣。        提高白光LED的光效，應(yīng)考慮選用LED輻射的光波長和YAG熒光粉的光譜，當前YAG熒光粉有p =530nm、540nm、550nm、560nm、570nm，并且?guī)捯膊灰粯印?#160;       藍光

25、LED激發(fā)黃色YAG熒光粉形成白光時，雖然輻射出的藍光能量有損失，但激發(fā)出黃光的最大流明比藍光要高好幾倍，所以人眼感覺的流明效率提高了。發(fā)光強度I        光源在指定方向上的立體角d之內(nèi)所發(fā)出的光通量或所得到光源傳輸?shù)墓馔縟，這二者的商即為發(fā)光強度I（單位為坎德拉，cd）：I=d/d                    

26、;   （3）1 cd=1 lm/sr（流明/立體弧度）=1 燭光        若光源向空間發(fā)射的總光通量為，因光源總立體角度為4，則平均光強I=/4。實際光強在空間各個方向的分布是不均勻的，空間光強分布的曲線稱為配光曲線。亮度L        光源發(fā)光面上某點的亮度L（單位為cd/m2），等于垂直于給定方向的平面上所得到的發(fā)光強度與該正投影面積之商，即L=dI/dScos                   （4）單位為尼特（nt），1nt=1 燭光/m2=1 cd/m2 。