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1、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。本文将为你详细介绍。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。If_:bl 1 扪-X0 f 击反向死区工作区I正向抚区J区:11 T Ir-Bl IT特性战线如上图：(1) 正向死区：(图oa或oa段)a点对于V0为开启电压，当VVa，外加电场尚克服不少因载流子 扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启
2、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I = b (e qVF/KT-1)I为反向饱和电流。Vo时，VVF的正向工作区IF随VF指数上升，b = b e qVF/KT(3) 反向死区：VTa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）。1响应时间从
3、使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图3中tr、 tf。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OLED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。If不同材料制得的|LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAIAs其响应时间10-9S, GaP为10-7S。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
4、量度其光学特性。2.1发光法向光强及其角分布ie 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。发光强度的角分布ie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4）指向性弱如S大） 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L
5、ED 201/2 = 6左右，大大提高了指向性。当前几种常用封装的散射角（201/2角）圆形LED： 5。、10。、30。、45。2.2发光峰值波长及其光谱分布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i r艮jp MH 匕. 人感0 8 6 4OT-L a C5O.O.200 300 400 50C
6、 600 7QQ 800 900 1000 E00 120DLED光瞎分布竝线1 直光 InGaI-1/GaI-I.2 绿光 GaP:N3 红光 GaP:ZnO4红夕卜GaAs5 Si光敏光电管谈标椎镯丝灯 是蓝色InGaN/GaN发光二极管，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
7、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谱线的峰值两侧士入处，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+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 nm。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
8、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（Im）LED向外辐射的功率一_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 Im,白光LED的卩日.51.8 Im （小芯片），对于immxlmm的功率级芯片制成白光 LED，其 F=18 Im。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
9、片优劣的特性。皆兰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=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=Jpq ； f叽pq 发光效率量子效率n=发射的光子数/pn结载流子数=（e/hcl） J入P入d入若输入能量 为w=ui，则发光能量效率nP=P/W若光子能量hc=ev,则n=nP，则总光通f=（f/p） P=KnPW 式中 K= F/P。 流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率W=KnP它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指
10、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A p材料可见光发光效率（lm/w）外量子效率最高值平均值700GaP：Zn-O2.41213红光660GaAlAs0.270.5Q3650GaAsP0.380.50.2黄光590GaP: N-N0.450.1绿光555GaP: N4.20.7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n=nncne，式中n
11、i向为p、 n结区少子注入效率，nc为在势垒区少子与多子复合效率，ne为外部出光（光取出效率） 效率。由于LED材料折射率很高n广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（nI） 2/（n i + 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ne可采取以下措施： 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； 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-
12、S（Se）-Br（l）且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAIAs的 LED效率提高46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。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14x108Nit。LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，Jo （电流密度）增加B。也近似增大。另 外，亮度还与环境温度有关，环境温度升
13、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。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=Be_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1。314小时后，先后测得Bo，Bt=100010000，代入Bt=Bo e-t/T求出t；再把Bt=1/2B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lF=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。3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IFVIOmA,或者1020 mA 长时
