《GaN基LED发光原理及参数》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GaN基LED发光原理及参数（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2.1 GaN基LED发光原理大部分LED是利用MOCVD在衬底材料上异质外延而成，目前比较成熟的 衬底材料是蓝宝石和碳化硅，硅基和ZnO基等其他衬底材料尚未成熟。LED外 延片的结构主要包括MIS结、P-N结、双异质结和量子阱几种，当前绝大多数 LED均是量子阱结构的。外延片的基本结构如图1-2所示目前使用的大部分灯具是白炽钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二 极管(LED)的发光原理则迥然不同。发光二极管自发性(Spontaneous)的发光是由 于电子与空穴的复合而产生的。P区1导带雄光俄光0 000:价带假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光， 或者先被发光
2、中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电 子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获，而后再与空穴复合, 每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比 例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近 PN结面数口m以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有 关，即入=1240/Eg电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度 Eg， 单位为电子伏特(eV。由光的量子性可知，hf= Eg h为普朗克常量,f为频率，据 f=c/入，可得入=hc/Eg，当入的单位用um, Eg单
3、位用电子伏特(eV)时，上式为入 =1.24um ev/Eg ，若若能产生可见光(波长在380nm紫光780nm红光)，半 导体材料的Eg应在3.261.63eV之间发光效率与材料是否为直接带隙(Direct Bandgap)有关图1.1(a)是直接带隙 材料。这些材料的导带最低点与价带的最高点在同一 K 空间。所以电子与空穴 可以有效地再复合(Recombination)而发光。而图1.1(b)的材料均属于间接带隙 (IndirectBandgap)，其带隙及导带最低点与价带最高点不在同一 K空间，以致电 子与空穴复合时除了发光外，还需要产生声子(Phonon)的配合，所以发光效率低 7。目
4、前发光二极管用的都是直接带隙的材料。22大功率LED基本参数及性能指标1 极限参数的意义(1) 允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的 最大值。超过此值， LED 发热、损坏。(2) 最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可 损坏二极管。(3) 最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极 管可能被击穿损坏。(4) 工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此 温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2电参数的意义( 1)光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其由图可见，该发光
5、管所发之光中某一波长入0的光强最大，该波长为峰值波 长。（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管 是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683） W/sr时， 则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度 常用坎德拉（med ）作单位。（3）光谱半宽度A入:它表示发光管的光谱纯度是指图3中1/2峰值光强所 对应两波长之间隔.（4）半值角e 1/2和视角：e 1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向 与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。JU ZU IuLU 14) 2tl30图3给出的二只不同
6、型号发光二极管发光强度角分布的情况。法线AO的坐 标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然，法线方向上的 相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。(5) 正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实 际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。(6) 正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下 得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4 3V。在外界温度升高时，VF将下降。(7) V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值(叫
7、阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某 一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IRvlOu A以下。LED的电学指标1、LED的电流-电压特性图图1所示为LED工作的电流-电压（I-V）特性图。发光二极管具有与一般半导体三极管 相似的输入伏安特性曲线。我们分别对图中所示的各段进行说明。图1LED工作的电流-电压特性图0A段：正向死区VA为开启LED发光的电压。红色（黄色）LED的开启电压一般为0.20.25V,绿色（蓝色） LED的开启电压一般为0.30.35V。AB段：工作区在这一区段，一般是随着电压增加
8、电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区 段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向 电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。0C段：反向死区发光二极管加反向电压是不发光的（不工作），但有反向电流。这个反向电流通常很小， 一般在几uA之内。在19901995年，反向电流定为10uA, 19952000年为5uA；目前一 般是在3uA以下，但基本上是OuA。CD段：反向击穿区发光二极管的反向电压一般不要超过10V,最大不得超过15V。超过这个电压，就会出 现反向击穿，导致LED报废。2、LED的电学指标对于LED器
9、件，一般常用的电学指标有以下几项：正向电压V： LED正向电流在20mA时的正向电压。F正向电流I：对于小功率LED，目前全世界一致定为20mA，这是小功率LED的正常工F作电流。但目前出现了大功率LED的芯片，所以I就要根据芯片的规格来确定正向工作电F流。反向漏电流IR：按LED以前的常规规定，指反向电压在5V时的反向漏电流。如上面 所说，随着发光二极管性能的提高，反向漏电流会越来越小，但大功率LED芯片尚未明确规 定。工作时的耗散功率Pd：即正向电流乘以正向电压。3、LED的极限参数对于LED器件，一般常用的极限参数有以下几项：最大允许耗散功率P =I XV :一般按环境温度为25C时的额
10、定功率。当环境温度max FH FH升高，则LED的最大允许耗散功率将会下降。最大允许工作电流IFM：由最大允许耗散功率来确定。参考一般的技术手册中给出的工FM 作电流范围，最好在使用时不要用到最大工作电流。要根据散热条件来确定，一般只用到最 大电流I的60%为好。FM最大允许正向脉冲电流Ifp： 一般是由占空比与脉冲重复频率来确定。LED工作于脉冲FP状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节，例如LED显示屏就是利用这个手段来调节亮度的。反向击穿电压V： 般要求反向电流为指定值的情况下可测试反向电压V,反向电流 RR一般为5100uA之间。反向击穿电压通常不能超过20V,在设计电路时，一定要确定
11、加到 LED的反向电压不要超过20V。4、LED的其他电学参数在高频电路中使用LED时，还要考虑以下两个因素：结电容Cj响应时间：上升时间t，下降时间tf当LED接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间，否则LED无法正常工作。LED 的光学指标人眼对自然界光的感知有两个方面：一是光的颜色，二是 光的辐射强度。我们将从这两方面展开讨论，进而分析 LED 的各种光学指标。1、 光的颜色的三种表示法国际照明委员会色品图表示法光的颜色鲜艳度色温或相关色温下面将逐一对其进行介绍。 国际照明委员会色品图表示法国际照明委员会（CIE）于1931年研究提出了 XYZ色品图， I960年又在XYZ
12、色品图的基础上提出了 UCS色品图。颜色感觉是光辐射源或被物体反射的光辐射作用于人眼的 结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测理和标准应该符合人眼的观测结果。但是， 人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有一些差异，因此要求根据大量观 测者的颜色视觉实验，确定 一组为匹配等能光谱色的三原色数据，即“标准色 度观测者光谱三刺激值”，以此来代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的 测量和计算。CIE于1931年在RGB系统的基础上采用设想的三原色X、Y、Z (分别代表红色、绿色和蓝色)，建立了CIE1931色品图，如图1所示。该图是 归一化图，只要标示X、Y值，
13、就可以知道Z的值(Z=1- (X+Y)，因而三变量 的色品图就变成X、Y二变量的平面图。图1CIE1931色品图光的颜色鲜艳度光的颜色鲜艳度必须用光的主波长入和色纯度来表示。目 d前,LED芯片供应商都是用主波长入来表示鲜艳度，而不用峰值波长入来表示。dP主波长入：如图2所示为色品图，图中AB为黑体轨迹。设F点为某一光 d源在色品图中的坐标，E点为理想等能量白光的参考光源点，在色品图标中为(0.3, 0.3)。由E点连接F点并延伸交于G点，则G点对应的单色波长即称为F点光源的主波长入。d峰值波长入：光谱发光强度或辐射功率最大处的对应的波长 。匕是种 p纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的单色
14、光的检测。中心波长：光谱发光强度或辐射功率出现主峰和次峰时，主峰半宽度的中 心点所对应的波长。一般应用于配光曲线法向方向附近凹进去的、质量不好的单 色管的检测。色纯度Pe：如图2所示，Pe二EF/EG。如果某一光源在色品图中F点的坐标 越靠近G点，那么EF和EG的长度就越接近相等，Pe越接近1，色纯度就越高。 色纯度通俗地说是指出射光的色坐标靠近CIE1931色品图上光谱轨迹的程度，靠 得越近则纯度越高。所以，若色坐标位于光谱轨道上，则色纯度为100%；反之, 等能的白光纯度则为0%。色纯度也是一种生理-心理物理量。半宽度：光谱发光强度或辐射功率最大处的一半的宽度（FWHM）,简称“带 宽”。
15、带宽越小则颜色越纯，显然它也是纯粹的物理量。L 100.3图2 主波长示意图色温或相关色温白光在照明领域的使用，一般用色温或相关色温表示（有 时也用色坐标表示）。光源的颜色有两方面的意思，即色表和显色性。色表就是 人眼直接观察光源时所看到的颜色感觉；光源的光照射到物体上所产生的客观 效果，即光源使被照有色物体的颜色再次显现出来的能力，称为光源的显色性。光源发光的颜色可用色温T表示。当光源所发射的光的颜C色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的这个温度就称为光源的颜色温 度，简称色温。光谱的能量分布和黑体在某一温度下辐射的相对光谱能量 分布相似时，其颜色必定相同。因此分布温度一定是色温，如白炽灯、卤钨灯发 出光的颜色可用色温表示；但对于气体放电光源，其光谱能量分布很少与黑体 的相似，所以这些光源的分布温度仅能称为相关色温。如黑体钨丝在2000F（华 氏度1F= 0.555556K）以上时辐射出的颜色与蜡烛点亮时发射光的颜色相同， 那么钨丝2000 F以上的温度就称为蜡烛光的色温。某一光源的相关色温的求法是：在CIE1960UCS色
