发光二极管主要参数与特性.docx

发光二极管主要参数与特性led是利用化合物材料制成pn结的光电器件它具备pn结结型器 件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发 光光强指向特性、时间特性以及热学特性「LED电学特性1.1 I-V特性 表征LED芯片pn结制备性能主要参数LED的I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触 电阻，反之为高接触电阻如左图：11 丨「V R1 1 1 1 10.1.1 1 1 1 1 1 1V FV击 穿反向死区工作区正向死区区1i-v特性曲线（1） 正向死 区：（图 oa 或oa‘段） a点对于V 为开启电 压，当VVVa,外加电 场尚克服 不少因载 流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为 IV,红色 GaAsP 为 1.2V, GaP 为 1.8V, GaN 为 2.5V2） 正向工作区：电流If与外加电压呈指数关系FT = I （eqVF/KT -） 1为反向饱和电流V>0时，V〉V的正向工作区I随V指数上升 I = I eqVF/KTF F F F S（3） 反向死区：VVO时pn结加反偏压V= - V 时，反向漏电流 Ir（V= -5V）时，GaP 为 0V, GaN 为 10uA。

4） 反向击穿区VV- VrR, Vr称为反向击穿电压；Vr电压对应Ir为反向漏电流当反向偏压一直增加使VV- Vr时，则出现Ir突然增加而出现击穿现象由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压Vr也不同R1.2 C-V 特性鉴于 LED 的芯片有 9X 9mil (250 X250um), 10X 10mil, 11X11mil (280 X 280um), 12X 12milC一C 0 -厂 1 1 1 1 1 1C 0，1 1 1 1 1 1 11-3 -1? -1 .：：_ 2 3水V图2 LED C-V特 性曲线（300X300um），故pn结面积大 小不一，使其结电容（零偏压） c~n+pf 左右C-V 特性呈二次函数关系（如图2）由1MHZ交流信号用 C-V特性测试仪测得1.3 最大允许功耗 PF m当流过 LED 的电流为 IF、管压降为UF则功率消耗为P=UFX IFLED 工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升 高若结温为Tj、外部环境温度为Ta,则当Tj>Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量 （功率），可表示为P = Kt（Tj -Ta）。

1.4 响应时间响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢现有几种显① 响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中tr、tf图中t0值示 LCD （液晶显示）约 10-3~10-5S, CRT、PDP、LED 都达到 10-6~10-7S （us 级）② 响应时间 主要取决于载 流子寿命、器 件的结电容及 电路阻抗LED 的点亮时 间——上升时 间 tr 是指接通r电源使发光亮 度达到正常的 10%开始，一直 到发光亮度达 到正常值的90%所经历的时间LED熄灭时间一一下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间< 10-9S， GaP为1因此它们可用在10~100MHZ高频系统2 LED 光学特性 发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度 其光学特性2.1发光法向光强及其角分布I”Q2.1.1发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能LED大量应用要求是圆柱、 圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角 为90°。

当偏离正法向不同e角度，光强也随之变化发光强度随着不同封装形状而强度依赖 角方向2.1.2 发光强度的角分布 I 是描述 LED 发光在空间各个方向上光强分布它主要取决于封装的 e工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）⑴ 为获得高指向性的角分布（如图 1）① LED管芯位置离模粒头远些；图2图指1指性向弱生强e （i/2大/2小）② 使用圆锥状 （子弹头）的模粒头；③ 封装的环氧树 脂中勿加散射剂采取上述措施可 使 LED 2 e 1/2 = 6° 左右，大大提高了指 向性⑵ 当前几种常 用封装的散射角（2e 1/2 角）圆形 LED ：5°、10°、30°、45°2.2 发光峰值波长及其光谱分布⑴ LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲 线当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质） 等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线其中J s £ z.P -- c cS C330 -ICO CJC 73C 8CL SJJ :- JC _JULED光谱分布曲线1 蓝光 InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红光 GaP:Zn-O4 红外 GaAs 5 Si 光敏光电管 6 标准钨丝灯① 是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰入p = 460〜465nm ；② 是绿色GaP:N的LED，发光谱峰入p = 550nm ；③ 是红色GaP:Zn-0的LED，发光谱峰入p = 680〜700nm；④ 是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰入p = 910nm ；⑤ 是 Si 光电二极管，通常作光电接收用。

由图可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对 应有一个波长，此波长叫峰值波长，用入p表示只有单色光才有入p波长⑵ 谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧土△入处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半 的点，此两点分别对应入p-△入，入p+A入之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度半高宽度反映谱线宽窄，即 LED 单色性的参数， LED 半宽小于 40 nm⑶ 主波长：有的 LED 发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单 色光为此描述 LED 色度特性而引入主波长主波长就是人眼所能观察到的，由 LED 发出主要单 色光的波长单色性越好，则入p也就是主波长如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主 波长偏向长波2.3 光通量光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣F为LED向各个方向发 光的能量之和，它与工作电流直接有关随着电流增加，LED光通量随之增大可见光LED的 光通量单位为流明（ lm）LED 向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。

目前单色LED的光通量最大约1 lm,白光LED的f~1・5~1・8 lm （小芯片），对于lmmxlmm的功 率级芯片制成白光LED,其F=18 lm2.4 发光效率和视觉灵敏度①LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效 率）前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性LED 光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率② 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量人的视觉灵敏度在入=555nm处有一个最大 值680 1EW若视觉灵敏度记为k，则发光能量P与可见光通量F之间关系为P=/P d ；入 入入F= JK P d入入入③ 发光效率——量子效率n =发射的光子数/pn结载流子数=（e/hc【）j入P入dA若输入能量为w=ui，则发光能量效率n P=P/W若光子能量hc=ev,则n ~n p，则总光通F=（F/P ）P=K「W式 中 K= F/P④ 流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率W=Kn P它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率n =n n n ，式中n向为p、n结区少子注入效率，n为在势垒区少子与多子复合效率，ni c e i ce为外部出光（光取出效率）效率。

由于LED材料折射率很高n i^3-6当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装） 若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1） 2 （n1+1） 2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本 身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率为了进一步提高外部出光效率n e可采取以下措施：① 用折射率较高的透明材料（环氧树脂 n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面；②把芯片晶体表面加工成半球形；③用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收有人曾经用n= 2.4〜2.6的低熔点玻璃 ［成分As-S（Se）-Br（I）］且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高 4〜6 倍2.5 发光亮度亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定 某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量， 单位 为 cd/m2 或 Nit以下列出几种常见 LED 流明效率（可见光发光效率）：LED发光颜色入p(nm )材料可见光发光效率（lm/w）外量子效率最高值平均值700GaP: Zn-°2.4121~3红光660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黄光590GaP：N-N0.450.1绿光555GaP：N4.20.70.015~0.15蓝光465GaN10白光谱带GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18品质优良的 LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多， 即外部效率要高。

事实 上， LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为若光源表面是理想漫反射面，亮度 BO 与方向无关为常数晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit （尼特），从地面看太阳表面亮度约为14X 108NitO下降， BO 减小当环境温度不变，电 流增大足以引起 pn 结结温升高，温升 后，亮度呈饱和状态2.6 寿命老化：LED发光亮度随着长时 间工作而出现光强或光亮度衰减现 象器件老化程度与外加恒流源的大 小有关，可描述为Bt=BO e-t/T，Bt为 t 时间后的亮度， BO 为初始亮度GaP : NG aP : Zn-OJ 'J x A/cm - 1LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED, JO （电流密度）增加BO也近似增大另外, 亮度还与环境温度有关，环境温度升高，n （复合效率）通常把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t称为二极 管的寿命测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命 测量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103~104小时 后，先后。