LED發(fā)光二極管參數(shù)教學(xué)內(nèi)容

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED發(fā)光二極管參數(shù)-led發(fā)光二極管參數(shù)簡介：LED是發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED)的簡稱，也被稱作發(fā)光二極管，這種半導(dǎo)體組件一般是作為指示燈、顯示板，它不但能夠高效率地直三豐光電接將電能轉(zhuǎn)化為光能，而且擁有最長達數(shù)萬小時10萬小時的使用壽命，同時具備不若傳統(tǒng)燈泡易碎，并能省電等優(yōu)點。發(fā)光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。

2、磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的

3、電流。限流電阻R可用下式計算：R（EUF）IF式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的一般工作電流。發(fā)光二極管的兩根引線中較長的一根為正極，應(yīng)按電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強弱。由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成7段式半導(dǎo)體數(shù)碼管

4、，每個數(shù)碼管可顯示09十個數(shù)目字。LED（發(fā)光二極管）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(xué)特性：I-V特性、C-V特性和光學(xué)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(xué)特性。1、LED電學(xué)特性1.1I-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。如圖：(1)正向死區(qū)：（圖oa或oa段）a點對于V0為開啟電壓，當VVa，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.

5、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(eqVF/KT1)-IS為反向飽和電流。V0時，VVF的正向工作區(qū)IF隨VF指數(shù)上升IF=ISeqVF/KT（3）反向死區(qū)：V0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-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。1.2C-V特性鑒于LED的芯片有99mil(250250um)，1010mil，111

6、1mil(280280um)，1212mil(300300um)，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PFm當流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UFIFLED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)闊幔菇Y(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta，則當TjTa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（TjTa）。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?，F(xiàn)有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-310

7、-5S，CRT、PDP、LED都達到10-610-7S（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?xí)r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10-7S。因此它們可用在10100MHZ高頻系統(tǒng)。2LED光學(xué)特性發(fā)光二極管有紅外（非

8、可見）與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來量度其光學(xué)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）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)

9、氧樹脂中勿加散射劑。采取上述措施可使LED21/2=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、452.2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(xué)參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)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(dǎo)體及摻雜制得LED光譜響應(yīng)曲線。其中是藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰p=460465nm；是綠色GaP:N的LE

10、D，發(fā)光譜峰p=550nm；是紅色GaP:Zn-O的LED，發(fā)光譜峰p=680700nm；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。LED光譜分布曲線1藍光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O4紅外GaAs5Si光敏光電管6標準鎢絲燈由圖可見，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(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。

11、半高寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數(shù)，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，則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(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽釲ED的光通量單位為流明（lm）。LED向外輻射

12、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1lm，白光LED的F1.51.8lm（小芯片），對于1mm1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18lm。2.4發(fā)光效率和視覺靈敏度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(xué)中一些參量。人的視覺靈敏度在=555nm處有一個最大值680lm/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=KPd發(fā)

13、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）Pd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=（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=KP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）：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=ice，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

14、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i3.6。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(dǎo)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

15、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14108Nit。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

16、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=BOe-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(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103104小時后，先后測得BO，Bt=100010000，代入Bt=BOe-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(xué)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(xué)特性LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作