LED的电学、光学及热学特性

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1、LED 的电学、光学及热学特性LED 照明网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：光谱回应特性、发 光光强指向特性、时间特性以及热学特性。LED 电学特性A. 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。（1）正向死区：（图oa或oa，段）a点对于V0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1V,红色GaAsP 为 1.

2、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，VVF的正向工作区IF随VF指数上升IF = IS e qVF/KT(3) 反向死区：VVO时pn结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流 IR(V二-5V)时，GaP 为 OV, GaN 为 10uA。(4) 反向击穿区VV- 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

3、也不同。B . C-V 特性LED 的芯片有 9X9mil (250X250um)，10X10mil，11X11mil (280 X280um)，12X12mil (300X300um)，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。C.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二UFXIFLED 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TjTa时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），

4、可表示为 P = KT （Tj - Ta）。D. 回应时间回应时间表征某一显示器跟踪外部资讯变化的快慢。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）。LED 光学特性发光二极体有红外（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。a.发光法向光强及其角分佈i e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

5、着不同封装形状而 强度依赖角方向。发光强度的角分佈ie是描述LED发光在空间各个 方向上光强分佈。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）B. 发光峰值波长及其光谱分佈LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分佈 曲线光谱分佈曲线。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 的光谱分佈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。C. LED 光谱分佈曲线1 蓝光 InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红光 GaP:Zn-O4 红外 G

6、aAs 5 Si 光敏光电管 6 标准钨丝灯 是蓝色InGaN/GaN发光二极体，发光谱峰入p = 460465nm； 是绿色GaP:N的LED，发光谱峰入p = 550nm； 是红色GaP:Zn-0的LED,发光谱峰入p = 680700nm； 是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰入p = 910nm； 是 Si 光电二极体，通常作光电接收用。由图可见，无论什麼材料制成的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。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

7、别对应A p-入，入p+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40nm。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，则久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。D.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

8、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（Im）。LED 向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水准及外 加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约1 Im,白光LED的 F1.51.8 lm（小芯片），对于1mmX1mm的功率级芯片制成白光LED, 其 F=18 Im。E. 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

9、照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏 度在入二555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为K入, 则发光能量P与可见光通量F之间关系为P= /PA d入；F=/KA P 入dA 发光效率量子效率n =发射的光子数/pn结载流子数二（ e/hcI）/ A PA 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=Kn PW 式 中 K= F/P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。品质优良的

10、 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n =n in cn e，式中n 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，n e为外部出光（光取出效率）效率。由于LED材料折射率很高n i3.6。当芯片发出光在晶体材料与 空气介面时（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。为了进一步提咼外部出光效率n e可採取以下措施： 用折射率较高的透明材

11、料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖 在芯片表面； 把芯片晶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n=2.42.6的低熔点玻璃成分As-S（Se）-Br（l）且热塑性大的作封帽, 可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高46倍。F. 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。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 的蓝天和萤光灯的表面亮度

12、约为7000Nit （尼特），从地面看太阳表面 亮度约为14X108NitoLED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， nc （复合效率）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。G. 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。通常把亮度降到 Bt=1/2BO 所经历的时间 t 称为二极体的寿命。 测定t要花很长的时间，通常以推

13、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，先后测得 BO ， Bt=100010000， 代入Bt=BO e-t/T求出T ；再把Bt=1/2B0代入，可求出寿命t。长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在IF=20mA 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35%，寿命6000h。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 IFV10mA，或者1020 mA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、大显示幕的温升对 LED 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 ()二入0 (TO) +TgX0.1nm/C由式可知，每当结温升高10 C，则波长向长波漂移1nm，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、光亮度的设计尤其应注意用散热 好的灯具外売或专门通用设备、确保LED长期工作。