LED燈主要性能參數

1、1LED主要參數與特性LED是利用化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電學特性: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。1、LED電學特性I-V特性表征LED芯片pn結制備性能主要參數。LED的I-V特性具有非線性、整流性質:單向導電性，即外加正偏壓表現低接觸電阻，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V0為開啟電壓，當VVVa,外加電場尚克制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

2、作區(qū)：電流IF與外加電壓呈指數關系IF=IS(eqVF/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指數上升IF=ISeqVF/KT3反向死區(qū)：VVO時pn結加反偏壓V=-VR時，反向漏電流IRV=-5V時，GaP為0V,GaN為10uA。4反向擊穿區(qū)VV-VR,VR稱為反向擊穿電壓；VR電壓對應IR為反向漏電流。當反向偏壓一直增加使VV-VR時，那么出現IR突然增加而出現擊穿現象。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。C-V特性鑒于LED的芯片有9X9mil(250X250um),10X10mil,11X11mil(280X28

3、0um),12X12mil(300X300um)，故pn結面積大小不一，使其結電容零偏壓Cn+pf左右。C-V特性呈二次函數關系如圖2。由1MHZ交流信號用C-V特性測試儀測得。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=UFXIFLED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?使結溫升高。假設結溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta,那么當Tj>Ta時，內部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量功率，可表示為P=KTTj-Ta。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?，F有幾種顯示LCD液晶顯示約10-310-5S，CRT、PDP、LED

4、都到達10-610-7Sus級。 響應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。 響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。LED的點亮時間上升時間tr是指接通電源使發(fā)光亮度到達正常的10%開場，一直到發(fā)光亮度到達正常值的90%所經歷的時間。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%所經歷的時間。不同材料制得的LED響應時間各不一樣；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應時間V10-9S,GaP為10-7S。因此它們可用在10100MHZ高頻系統(tǒng)。2LED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

5、可用輻射度，后者可用光度學來量度其光學特性。發(fā)光法向光強及其角分布I9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e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。發(fā)光強度的角分布Ie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 LED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LED20

6、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21/2角圓形LED：5°、10°、30°、45°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，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結構造外延層厚度、摻雜雜質等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。以下圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜響應曲線。其中LED光譜分布曲線1藍光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O4紅

7、外GaAs5Si光敏光電管6標準鎢絲燈 是藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰入p=460465nm； 是綠色GaP:N的LED，發(fā)光譜峰入p=550nm； 是紅色GaP:Zn-O的LED,發(fā)光譜峰入p=680700nm； 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰入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譜線的峰值兩側土入處，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

8、，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，LED半寬小于40nm。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，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，結溫升高而主波長偏向長波。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?？梢姽釲ED的光通量單位為流

9、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。目前單色LED的光通量最大約1lm,白光LED的Flm小芯片，對于1mmX1mm的功率級芯片制成白光LED,其F=18lm。發(fā)光效率和視覺靈敏度LED效率有內部效率pn結附近由電能轉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。人的視覺靈敏度在入=555nm處有一個最大值680lm/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=JP入d入；F=/

10、K入P入d入發(fā)光效率量子效率叮=發(fā)射的光子數/pn結載流子數=e/hcI丿入P入d入假設輸入能量為W=UI，那么發(fā)光能量效率nP=P/W假設光子能量hc=ev,那么nnP，那么總光通F=F/PP=KnPW式中K=F/P流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率W=KnP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：LED發(fā)光顏色入pnm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700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP130.30.2黃光590GaP:N-N綠光5

11、55GaP:N0.0150.15藍光465GaN10白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6,大芯片18品質優(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)光僅是內部發(fā)光的一局部，總的發(fā)光效率應為n=nincne，式中ni向為p、n結區(qū)少子注入效率，nc為在勢壘區(qū)少子與多子復合效率，ne為外部出光光取出效率效率。由于LED材料折射率很高ni3.6。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nl-12/nl+12=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

12、部出光效率ne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外表；把芯片晶體外表加工成半球形； 用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸收。有人曾經用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，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所輻射的光通量，單位為cd/m2或Nit。假設光源外表是理想漫反射面，亮度BO與方向無關為常數。晴朗的藍

13、天和熒光燈的外表亮度約為7000Nit尼特，從地面看太陽外表亮度約為14X108NitoLED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)境溫度有關，環(huán)境溫度升高，nc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結結溫升高，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光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關，可描述為Bt=BOe-t/T,Bt為t時間后的亮度，BO為初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2BO所經歷的時間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103104小時后，先后測得BO，Bt=100010000，代入Bt=BOe-t/t求出t；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)應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。如LED的光衰減為原來35%，壽命6000ho3熱學特性LED的光學參數與pn結結溫有很大的關系。一般工作在小電流IFVIOmA,或者1020mA長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。假設環(huán)境溫度較高，LE