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1、发光二极管主要参数与特性 WWW.LEDZX.COM 发布日期：2007-2-5 17:12:17 信息来源：LED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。1、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：(1) 正向死区：（图 oa或 oa段）a 点对于 V0 为开启电压，当 VVa，外加电场尚克服
2、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 1V，红色 GaAsP为 1.2V，GaP 为 1.8V，GaN 为 2.5V。（2）正向工作区：电流 IF与外加电压呈指数关系 IF = IS (e qVF/KT 1) -IS 为反向饱和电流 。V0 时，VV F的正向工作区 IF 随 VF指数上升 I F = IS e qVF/KT （3）反向死区 ：V0 时 pn结加反偏压 V= - VR 时，反向漏电流 IR（V= -5V）时，GaP 为 0V，GaN 为 10uA。（4）反向击穿区 V- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应
3、 IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使 V- V R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。1.2 C-V特性鉴于 LED的芯片有 99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，故 pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）Cn+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=UFIFLED工作时，外加偏压、
4、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 TjTa 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。现有几种显示 LCD（液晶显示）约 10-310-5S，CRT、PDP、LED 都达到 10-610-7S（us 级）。 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 、t f 。图中 t0值很小，可忽略。 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是指接通电源使发光
5、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 10-7 S。因此它们可用在 10100MHZ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 I2.1.1 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
6、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 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工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否） 为获得高指向性的角分布（如图 1） LED 管芯位置离模粒头远些； 使用圆锥状（子弹头）的模粒头； 封装的环氧树脂中勿加散射剂。采取上述措施可使 LED 21/2 = 6左右，大大提高了指向性。 当前几种常用封装的散射角（21/2 角）圆形 LED：5、10、30、452.2 发光峰值波长及其光谱分布 LED 发光
7、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LED 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 是蓝色 InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰 p = 460465nm； 是绿色 GaP:N的 LED，发光谱峰 p
8、= 550nm； 是红色 GaP:Zn-O的 LED，发光谱峰 p = 680700nm； 是红外 LED使用 GaAs材料，发光谱峰 p = 910nm； 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 p 表示。只有单色光才有 p 波长。 谱线宽度：在 LED谱线的峰值两侧 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 p-，p+ 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 nm。 主波长：
9、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 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
10、大小有关。目前单色 LED的光通量最大约 1 lm，白光 LED的 F1.51.8 lm（小芯片），对于 1mm1mm的功率级芯片制成白光 LED，其 F=18 lm。2.4 发光效率和视觉灵敏度 LED 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。 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 = 555nm 处有一个最大值 680 lm/w。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 ； F=K P d 发光效率量子效率 =发射的光子数/pn 结载流子数=（e/h cI）P d若输入能量为 W=UI，则发光能量效率 P=P/W若光子能量 hc=ev,则 P ，则总光通 F=（F/P）P=K PW 式中 K= F/P 流明效率：LED 的光通量 F/外加耗电功率 W=K 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。
