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1、LED （发光二极管）分类及发光材质介绍LED技术指标介绍LET显示屏的相关知识 2009-10-07 14 47阅读104评论 0字号：大中小LED电子显示屏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：IT特性、G甲特性和光 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L 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ol段）&点对于V0为开启 电压，当WVa,外加电场尚克服不少因载流子扩散
2、而形成 势垒电场，此时R很人；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为 IV 红色 GaAsP为 L 2V GaP为 L 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) 1s为反向饱和电流。00时，VVF的正向工作区IF随VF指数上升IF=IS e qVF/KT(3)反向死区：0时pn结加反偏压P VR时，反向漏电流IR(-5V)时，GaP为OV Ga N 为 10uA(4)反向击穿区W-VR, 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X V RH寸，贝U出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所
3、用化合物 材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。L 2刊寺性鉴于 LED的芯片有 9X &nil (250X 250um), 10X lOmil, 11X llmil (280X 280iri,12X 12mil (300X 300irri,故 pn结面积大小不一，使其结电容(零偏压)3n+pf左右。GV特性呈二次函数关系(如图2)。由1ME交流信号用Z特性测试仪测得。L 3最大允许功耗PF m当流过LED的电流为IE管压降为UF则功率消耗为冋FX 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TjT
4、a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） oL 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 儿种显示LCD（液晶显示）约10-口0-55 CRX FDR LED 都达到10-C（WS（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、tf o图中tO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的点亮时间一一上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10W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1
5、颇经历的时间。不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs GaAsR GaAlAs其响应时间 10-9S GaP为 H S因此它们可用 在lCROOMlZ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ie2 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。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
6、光强度的角分布W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）（1）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。采取上述搭施可使LED 29 1/2 = S左右，大大提高了 指向性。（2）当前几种常用封装的散射角（29 1/2角）圆形LED 5 、i（r、3（r、432 2发光峰值波长及其光谱分布（1）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。
7、LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及P n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。下图绘出几种市不同化合物半导体及掺杂制得EED光谱 响应曲线。其中LED光谱分布曲线1 蓝光 InGaN/GaN 2 绿光 GaR N 3 红光 GaR Zn-04红外GaAs 5 Si光敏光电管6标准鹄丝灯是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰入p = 460 465m|是绿色GaR N的LED发光谱峰入P = 550g 是红色GaR ZtlO的LED发光谱峰入P = 680- 700im 是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰入p = 910呵 是Si光电
8、二极管，通常作光电接收用。由图可见，无论什么材料制成的IM）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。（2）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 必入，X iHAX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 im（3）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L ED发出
9、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（lnil oLED向外辐射的功率一一光通量与芯片材料、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 * 1. 1 8 lm（小芯片）,对于lrniX lmn 的功率级芯片制成白光LED其218 lm2
10、 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 觉灵敏度在入=555nr处有一个最大值680 lm/w若视觉 灵敏度记为KX,则发光能量P与可见光通量F之间关系为P=f P入 d入；KA PA dX 发光效率一一量了效率Q啜射的光了数/pn结载流子数=（e/hcl） /入P入d入若输入能量为WJI,则发光能量效率n厲/W若光子能量heev,则A I P ,则总光通fM
11、 F/P P4CI FW式中后F/P 流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率 冒I 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。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（ mi）材料可见光发光效率（hW外量子效率最高值平均值红光 700660650 GaR ZrrOGaAlAsGaAsP 2 40. 270. 38 12 0. 5Q 5 OO. 30. 2黄光 590 GaR 0. 45 0. 1绿光 555 GaE N 4 2 0. 7 0. 0150. 15蓝光 465 GaN 10白光 谱带
12、GaNH么G小芯片L 6大芯片18品质优良的LED要求向外辐射的光能量尢 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n =n in cn e ,式中叮i向为p, n结区少子注入效率，n C为在势垒区少子与多子复合效率，Il e为外部出光（光 取出效率）效率。由于LED材料折射率很高II 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（nl1） 2/ （ nl+1） 2=Q 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
13、 e可采取以下措施： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂55并不理想）覆 盖在芯片表面；把芯片品体表面加工成半球形；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 口 ”2 6的低熔点玻璃 成分AY（Se）Tr（I）且热塑性 大的作封帽，可使红外GaAs GaAsR GaAlAs的LED效率提 高讥倍。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c（l/nT2或Nit若光源表而是理想漫反射而，亮度B0与方向无关为常 数。晴朗的蓝天和荧光
14、灯的表面亮度约为7000Nit（尼特）， 从地面看太阳表面亮度约为14X 108NitoLED亮度与外加电流密度有关，一般的LED JO （电流密 度）增加B0也近似增大。另外，亮度述与环境温度有关， 环境温度升高，H c（复合效率）下降，B0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人小有关，可描述 为Bt= bt/T , Bt为t时间后的亮度，B0为初始亮度。通常把亮度降到BH1/2B0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
15、求得寿命。测量 方法：给LED通以一定恒流源，点燃10304小时后，先 后测得 BO , Bt=100(n000ft 代入 Bt= e-t/T 求出 t ； 再把Bt=l/2BO代入，可求出寿命t长期以来总认为LED寿命为106小吋，这是指单个LED 在IF0nA下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以 LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减 为原来3瞬寿命6000K3热学特性LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在 小电流1代10nA或者1口0 nA长时间连续点亮LED温升 不明显。若环境温度较高，LED的主波长或入P就会向长波 长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LEI 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。LED的主波长随温度关系可表示为入P( T )0 ( TO)4A TgX 0. lrrr/C由式可知，每当结温升高1CTC,则波长向长波漂移lg 且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光 源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度 的设计丿匕其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LH氏期工作。led 灯管啊 led FI
