GaN基LED發(fā)光原理及參數(shù)

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(lán)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(dāng)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(dǎo)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(fù)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(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在近PN結(jié)面數(shù)μm以?xún)?nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即λ=1240/Eg電子由導(dǎo)帶向價(jià)帶躍遷時(shí)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/λ,可得λ=hc/Eg,當(dāng)λ的單位用um,Eg單位用電子伏特（eV）時(shí)，上式為λ=1.24um·ev/Eg]，若若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙(DirectBandgap)有關(guān)，圖1.1(a)是直接帶隙材料。這些材料的導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶的最高點(diǎn)在同一K空間。所以電子與空穴可以有效地再?gòu)?fù)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(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)不在同一K空間，以致電子與空穴復(fù)合時(shí)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(biāo)1．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(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)：某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)大體按圖2所示。由圖可見(jiàn)，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)λ0的光強(qiáng)最大，該波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。（2）發(fā)光強(qiáng)度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線(xiàn)（對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線(xiàn)）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉(mcd)作單位。（3）光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔.（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)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(chēng)半功率角）。圖3給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。法線(xiàn)AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線(xiàn)方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1，離開(kāi)法線(xiàn)方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)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(shí)的正向電流值。在實(shí)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(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時(shí)，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(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線(xiàn)可以得出發(fā)光管的正向電壓，反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<10μA以下。LED的電學(xué)指標(biāo)

1、

LED的電流-電壓特性圖圖1所示為L(zhǎng)ED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(dǎo)體三極管相似的輸入伏安特性曲線(xiàn)。我們分別對(duì)圖中所示的各段進(jìn)行說(shuō)明。圖1

LED工作的電流-電壓特性圖OA段：正向死區(qū)VA為開(kāi)啟LED發(fā)光的電壓。紅色（黃色）LED的開(kāi)啟電壓一般為0.2~0.25V,綠色（藍(lán)色）LED的開(kāi)啟電壓一般為0.3~0.35V。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(gè)區(qū)段內(nèi)要特別注意，如果不加任何保護(hù)，當(dāng)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(huì)減小，而正向電流會(huì)加大。如果沒(méi)有保護(hù)電路，會(huì)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(gè)反向電流通常很小，一般在幾μA之內(nèi)。在1990~1995年，反向電流定為10μA，1995~2000年為5μA；目前一般是在3μA以下，但基本上是0μA。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(guò)10V，最大不得超過(guò)15V。超過(guò)這個(gè)電壓，就會(huì)出現(xiàn)反向擊穿，導(dǎo)致LED報(bào)廢。2、

LED的電學(xué)指標(biāo)對(duì)于LED器件，一般常用的電學(xué)指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：·正向電壓VF：LED正向電流在20mA時(shí)的正向電壓。·正向電流IF：對(duì)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(lái)確定正向工作電流?！し聪蚵╇娏鱅R：按LED以前的常規(guī)規(guī)定，指反向電壓在5V時(shí)的反向漏電流。如上面所說(shuō)，隨著發(fā)光二極管性能的提高，反向漏電流會(huì)越來(lái)越小，但大功率LED芯片尚未明確規(guī)定。·工作時(shí)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(duì)于LED器件，一般常用的極限參數(shù)有以下幾項(xiàng)：·最大允許耗散功率Pmax=IFH×VFH：一般按環(huán)境溫度為25℃時(shí)的額定功率。當(dāng)環(huán)境溫度升高，則LED的最大允許耗散功率將會(huì)下降?！ぷ畲笤试S工作電流IFM：由最大允許耗散功率來(lái)確定。參考一般的技術(shù)手冊(cè)中給出的工作電流范圍，最好在使用時(shí)不要用到最大工作電流。要根據(jù)散熱條件來(lái)確定，一般只用到最大電流IFM的60%為好?！ぷ畲笤试S正向脈沖電流IFP：一般是由占空比與脈沖重復(fù)頻率來(lái)確定。LED工作于脈沖狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，例如LED顯示屏就是利用這個(gè)手段來(lái)調(diào)節(jié)亮度的?！し聪驌舸╇妷篤R：一般要求反向電流為指定值的情況下可測(cè)試反向電壓VR，反向電流一般為5~100μA之間。反向擊穿電壓通常不能超過(guò)20V，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一定要確定加到LED的反向電壓不要超過(guò)20V。4、

LED的其他電學(xué)參數(shù)

在高頻電路中使用LED時(shí)，還要考慮以下兩個(gè)因素：·結(jié)電容Cj·響應(yīng)時(shí)間：上升時(shí)間tr，下降時(shí)間tf

當(dāng)LED接在高頻電路中使用時(shí)，要考慮到結(jié)電容和上升、下降時(shí)間，否則LED無(wú)法正常工作。LED的光學(xué)指標(biāo)

人眼對(duì)自然界光的感知有兩個(gè)方面：一是光的顏色，二是光的輻射強(qiáng)度。我們將從這兩方面展開(kāi)討論，進(jìn)而分析LED的各種光學(xué)指標(biāo)。1、

光的顏色的三種表示法·國(guó)際照明委員會(huì)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(duì)其進(jìn)行介紹。國(guó)際照明委員會(huì)色品圖表示法

國(guó)際照明委員會(huì)（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。

顏色感覺(jué)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(jué)特性。

關(guān)于顏色的測(cè)理和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該符合人眼的觀(guān)測(cè)結(jié)果。但是，人眼的顏色特性對(duì)于不同的觀(guān)測(cè)者或多或少會(huì)有一些差異，因此要求根據(jù)大量觀(guān)測(cè)者的顏色視覺(jué)實(shí)驗(yàn)，確定一組為匹配等能光譜色的三原色數(shù)據(jù)，即“標(biāo)準(zhǔn)色度觀(guān)測(cè)者光譜三刺激值”，以此來(lái)代表人眼的平均顏色視覺(jué)特性，用于色度學(xué)的測(cè)量和計(jì)算。

CIE于1931年在RGB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(lán)色），建立了CIE1931色品圖，如圖1所示。該圖是歸一化圖，只要標(biāo)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(zhǎng)λd和色純度來(lái)表示。目前，LED芯片供應(yīng)商都是用主波長(zhǎng)λd來(lái)表示鮮艷度，而不用峰值波長(zhǎng)λp來(lái)表示。·主波長(zhǎng)λd：如圖2所示為色品圖，圖中AB為黑體軌跡。設(shè)F點(diǎn)為某一光源在色品圖中的坐標(biāo)，E點(diǎn)為理想等能量白光的參考光源點(diǎn)，在色品圖標(biāo)中為(0.3，0.3)。由E點(diǎn)連接F點(diǎn)并延伸交于G點(diǎn)，則G點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單色波長(zhǎng)即稱(chēng)為F點(diǎn)光源的主波長(zhǎng)λd?！し逯挡ㄩL(zhǎng)λp：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處的對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。它是一種純粹的物理量，一般應(yīng)用于波形比較對(duì)稱(chēng)的單色光的檢測(cè)。·中心波長(zhǎng)：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率出現(xiàn)主峰和次峰時(shí)，主峰半寬度的中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。一般應(yīng)用于配光曲線(xiàn)法向方向附近凹進(jìn)去的、質(zhì)量不好的單色管的檢測(cè)?！ど兌萈e：如圖2所示，Pe=EF/EG。如果某一光源在色品圖中F點(diǎn)的坐標(biāo)越靠近G點(diǎn)，那么EF和EG的長(zhǎng)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(shuō)是指出射光的色坐標(biāo)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(biāo)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(qiáng)度或輻射功率最大處的一半的寬度（FWHM），簡(jiǎn)稱(chēng)“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(zhǎng)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(shí)也用色坐標(biāo)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(guān)察光源時(shí)所看到的顏色感覺(jué)；光源的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀(guān)效果，即光源使被照有色物體的顏色再次顯現(xiàn)出來(lái)的能力，稱(chēng)為光源的顯色性。

光源發(fā)光的顏色可用色溫Tc表示。當(dāng)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(shí)，黑體的這個(gè)溫度就稱(chēng)為光源的顏色溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)色溫。

光譜的能量分布和黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜能量分布相似時(shí)，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(duì)于氣體放電光源，其光譜能量分布很少與黑體的相似，所以這些光源的分布溫度僅能稱(chēng)為相關(guān)色溫。如黑體鎢絲在2000°F（華氏度1°F=0.555556K）以上時(shí)輻射出的顏色與蠟燭點(diǎn)亮?xí)r發(fā)射光的顏色相同，那么鎢絲2000°F以上的溫度就稱(chēng)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(biāo)點(diǎn)向黑體白軌做垂線(xiàn)，與白軌相交點(diǎn)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(chēng)為冷色調(diào)，把低色溫叫做暖色調(diào)。2、

與光輻射強(qiáng)度有關(guān)的指標(biāo)相對(duì)視敏函數(shù)V（λ）曲線(xiàn)

對(duì)于有不同λp的光線(xiàn)，即使光功率一樣，人眼感到的光強(qiáng)度仍是不一樣。人眼對(duì)于λp=555nm的綠光的靈敏度最高，對(duì)該值兩邊波長(zhǎng)的靈敏度越來(lái)越低。當(dāng)λp<380nm或λp>780nm時(shí)，即使光源的光能量輻射再?gòu)?qiáng)，人眼也對(duì)它沒(méi)有任何光的感覺(jué)。例如在圖3的相對(duì)視敏函數(shù)曲線(xiàn)中，對(duì)于850nm、880nm、940nm處的線(xiàn)外線(xiàn)，人眼根本看不到。圖3

相對(duì)視敏函數(shù)曲線(xiàn)

國(guó)際照明委員會(huì)研究推薦了V（λ）曲線(xiàn)。當(dāng)λp=555nm時(shí)，V（λ）為最大值1.0；而當(dāng)λp=460nm時(shí)，V（λ）=0.06；當(dāng)λp=660nm時(shí)，V（λ）=0.0608。光通量φ

光通量是按人眼的光感覺(jué)來(lái)度量光的輻射功率，即輻射光功率能夠被人眼視覺(jué)系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。表征的符號(hào)為φ，國(guó)際通用的光通量單位為流明（lm）。

假設(shè)單色光的波長(zhǎng)為λi，則該波長(zhǎng)的光通量F（λi）就等于它的輻射功率P（λi）與相對(duì)視敏函數(shù)V（λi）的乘積，可參見(jiàn)式（1）：F（λi）=P（λi）×V（λi）

（1）

如果光源的輻射功率波譜為Px(λ)，則總的光通量F（λ）應(yīng)為各個(gè)波長(zhǎng)分量光通量的總和，即式（2）：

（2）

P（λ）為給定波長(zhǎng)的光輻射功率，單位是W。V（λ）為給定波長(zhǎng)的相對(duì)視敏函數(shù)。最大流明效率Km為683lm/W（當(dāng)λp=555nm時(shí)）。流明效率

人眼受能見(jiàn)度限制，因此對(duì)于不同的λp，光有不同的最高流明效率：·λp=555nm時(shí)：最大流明效率（Km）為683lm/W；·λp=470nm時(shí)：V（λ）=0.0913，最大流明效率為683×0.0913=62.40lm/W；·λp=460nm時(shí)：V（λ）=0.06，最大流明效率為683×0.06=41.00lm/W；·λp=450nm時(shí)：V（λ）=0.038，最大流明效率為683×0.038=26.01lm/W；·λp=660nm時(shí)：V（λ）=0.0608，最大流明效率為683×0.0608=41.5lm/W；·λp=650nm時(shí)：V（λ）=0.107，最大流明效率為683×0.107=73.081lm/W；·λp=620nm時(shí)：V（λ）=0.381，最大流明效率為683×0.381=260.223lm/W；

不同光源組成的白光，其最大流明效率因人眼能見(jiàn)度不同的原因而不同。中色溫區(qū)的最大流明效率會(huì)比較高，而高色溫區(qū)和低色溫區(qū)的最大流明效率會(huì)比較低。所以對(duì)于不同的色溫，其流明效率會(huì)不一樣。

提高白光LED的光效，應(yīng)考慮選用LED輻射的光波長(zhǎng)和YAG熒光粉的光譜，當(dāng)前YAG熒光粉有λp=530nm、540nm、550nm、560nm、570nm，并且?guī)捯膊灰粯印?/p>

藍(lán)光LED激發(fā)黃色YAG熒光粉形成白光時(shí)，雖然輻射出的藍(lán)光能量有損失，但激發(fā)出黃光的最大流明比藍(lán)光要高好幾倍，所以人眼感覺(jué)的流明效率提高了。發(fā)光強(qiáng)度I

光源在指定方向上的立體角dΩ之內(nèi)所發(fā)出的光通量或所得到光源傳輸?shù)墓馔縟φ，這二者的商即為發(fā)光強(qiáng)度I（單位為坎德拉，cd）：I=dφ/dΩ

（3）1cd=1lm/sr（流明/立體弧度