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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LED 显示屏的相关学问 2023-10-07 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： 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
2、开启电压，当 VVa，外加电场尚抑制不少因载流子集中而形成势垒电场，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，VVF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升 IF = IS e qVF/KT3反向死区 ：V0 时 pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流 IRV= -5V时，GaP 为 0V，GaN 为 10uA。4反向击穿区 V- VR ，VR 称为反向击穿电压；
3、 VR 电压对应 IR 为反向漏电流。当反向偏压始终增加使 V- V R 时，则消灭IR 突然增加而消灭击穿现象。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 (280 280um)，1212mil (300 300um)，故 p n 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 沟通信号用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
4、 P=UFIFLED 工作时，外加偏压、偏流确定促使载流子复合发出光，还有一局部变为热，使结温上升。假设结温为 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 = KTTj 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都到达 10-610-7Sus 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 。图中 t0 值很小，可无视。 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
5、时间 tr 是指接通电源使发光亮度到达正常的 10%开头，始终到发光亮度到达正常值的 90%所经受的时间。LED 熄灭时间下降时间 tf 是指正常发光减弱至原来的 10%所经受的时间。不同材料制得的 LED 响应时间各不一样；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
6、，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外形而强度依靠角方向。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 管芯位臵离模粒头远些； 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。实行上述措施可使 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
7、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 p n 构造造外延层厚度、掺杂杂质等有关，而与器件的几何外形、封装方式无关。以以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 Ga
8、P:N 的 LED，发光谱峰p = 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
9、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看到的，由 L ED 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，结温上升而主波长偏向长波。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
10、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 结四周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。假设视觉灵敏度记为 K，则发光能量 P 与可
11、见光通量 F 之间关系为P=Pd ； F=KPd 发光效率量子效率 =放射的光子数/pn 结载流子数=e/hcI Pd假设输入能量为 W=UI，则发光能量效率 P=P/W假设光子能量 hc=ev,则 P ，则总光通 F=F/PP=KPW 式中 K= F/P 流明效率： LED 的光通量 F/外加耗电功率 W=KP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。以以下出几种常见 LED 流明效率可见光发光效率：LED 发光颜色 pnm 材料可见光发光效率 lm/w外量子效率最高值 平均值红光 700660650 GaP:Zn-O
12、GaAlAsGaAsP 2.40.270.38 120.50.5 130.30.2黄光 590 GaP:N-N 0.45 0.1绿光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.0150.15蓝光 465 GaN 10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局部，总的发光效率应为=ice ，式中i 向为 p、n 结区少子注入效率， c 为在势垒区少子与多子复合效率， e 为外部出光光取出效率效率。由于 LED 材料折射率很高 i3.6。当芯片发出光在晶体材料与
13、空气界面时无环氧封装假设垂直入射，被空气反射， 反射率为 n1-12/n1+12=0.32，反射出的占 32%，鉴于晶体本身对光有相当一局部的吸取，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 e 可实行以下措施： 用折射率较高的透亮材料环氧树脂 n=1.55 并不抱负掩盖在芯片外表； 把芯片晶体外表加工成半球形； 用Eg 大的化合物半导体作衬底以削减晶体内光吸取 。有人曾经用n=2.42.6 的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(I) 且热塑性大的作封帽，可使红外 GaAs、GaAsP、GaAlAs 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
14、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外表亮度等于发光体外表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。假设光源外表是抱负漫反射面，亮度 BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的外表亮度约为 7000Nit尼特，从地面看太阳外表亮度约为 14108Nit。LED 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， 环境温度上升， c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 结结温上升，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消灭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/ ，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 所经受的时间 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 通以确定恒流源，点燃 103 104 小时后，先后测得 BO ，Bt=100010000 ，代入 Bt=BO
