LED燈主要性能參數

1、1 LED主要參數與特性LED是利用化合物材料制成 pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電學特性：I-V特性、 C-V特性和光學特性：光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。1、LED電學特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn結制備性能主要參數。LED的I-V特性具有非線性、整流 性質：單向導電性，即外加正偏壓表現低接觸電阻，反之為高接觸電阻。如左圖：(1)正向死區(qū)：(圖oa或oa'段)a點對于V0為開啟電壓，當 V v Va,外加電場尚克服 不少因載流子擴散而形成勢壘電場，此時R很大；開啟電壓對于不同 LED其值不同，GaAs為 1V,紅色 GaAsP 為 1.2

2、V, GaP 為 1.8V, GaN 為 2.5V。(2) 正向工作區(qū)：電流IF與外加電壓呈指數關系IF = IS (e qVF/KT - 1)IS 為反向飽和電流 。V > 0時，V > VF的正向工作區(qū)IF隨VF指數上升IF = IS e qVF/KT(3) 反向死區(qū)：V v 0時pn結加反偏壓V= - VR 時，反向漏電流 IR (V= -5V )時，GaP為 0V , GaN 為 10uA。(4) 反向擊穿區(qū) VV - VR , VR稱為反向擊穿電壓； VR電壓對應IR為反向漏電流。當 反向偏壓一直增加使 V V - VR時，則出現IR突然增加而出現擊穿現象。由于所用化合物

3、材 料種類不同，各種 LED的反向擊穿電壓 VR也不同。1.2 C-V特性鑒于 LED 的芯片有 9X 9mil (250 x 250um), 10x 10mil , 11 x 11mil (280 x 280um), 12 x 12mil (300 x 300um)，故pn結面積大小不一，使其結電容(零偏壓)0 n+pf左右。C-V特性呈二次函數關系(如圖 2)。由1MHZ交流信號用C-V特性測試儀測得。1.3最大允許功耗 PF m當流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UF X IFLED工作時，外加偏壓、偏流一定促使載流子復合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊?，使結溫 升高。若結溫為

4、Tj、外部環(huán)境溫度為 Ta,則當Tj >Ta時，內部熱量借助管座向外傳熱，散 逸熱量(功率)，可表示為 P = KT (Tj - Ta)。1.4響應時間響應時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?，F有幾種顯示LCD (液晶顯示)約10-310-5S, CRT、PDP、LED 都達到 10-610-7S (us 級)。 響應時間從使用角度來看，就是 LED點亮與熄滅所延退的時間，即圖中 tr、tf。圖中 t0值很小，可忽略。 響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。LED的點亮時間一一上升時間 tr是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的 90

5、%所經歷的時間。LED熄滅時間一一下降時間 tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經歷的時間。不同材料制得的 LED響應時間各不相同； 如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應時間v 10-9S, GaP為10-7 S。因此它們可用在 10100MHZ高頻系統(tǒng)。2 LED光學特性發(fā)光二極管有紅外(非可見)與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學來 量度其光學特性。2.1發(fā)光法向光強及其角分布I 02.1.1發(fā)光強度(法向光強)是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為 90°

6、;。當偏離正法向不同 0角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝 形狀而強度依賴角方向。2.1.2發(fā)光強度的角分布I 0是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于 封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否）為獲得高指向性的角分布（如圖1） LED管芯位置離模粒頭遠些； 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭； 封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。采取上述措施可使 LED 2 0 1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。當前幾種常用封裝的散射角（2 0 1/2角）圓形LED : 5°、10°、30°、45°2.2發(fā)光峰值波長及其光譜分布

7、LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線一一光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。下圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜響應曲線。其中LED光譜分布曲線1 藍光 InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O4紅外GaAs 5 Si光敏光電管6標準鴇絲燈 是藍色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰 入p = 460465nm； 是綠色 GaP:N的LED，發(fā)光譜峰 入p

8、 = 550nm ; 是紅色 GaP:Zn-O的LED，發(fā)光譜峰 入p = 680700nm； 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰 入p = 910nm ; 是Si光電二極管，通常作光電接收用。由圖可見，無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用入p表示。只有單色光才有 入p波長。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側±左 入處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度） 一半的點，此兩點分別對應 入p-入，入p+ 入之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數，LED半寬小于40 n

9、m。主波長：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述 LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由 LED 發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則 入p也就是主波長。如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結溫升高而主波長偏向長波。2.3光通量光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量， 它標志器件的性能優(yōu)劣。F為LED向各個方 向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽釲ED的光通量單位為流明（lm ）。LED向外輻射的功率一一光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒

10、流源大小有關。目前單色LED的光通量最大約 1 lm ,白光LED的F* 1.51.8 lm （小芯片），對于1mm x 1mm 的功率級芯片制成白光 LED，其F=18 lm。2.4發(fā)光效率和視覺靈敏度 LED效率有內部效率（pn結附近由電能轉化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）。前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比，即發(fā)光效率。 視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在入=555nm處有一個最大值680 lm/w。若視覺靈敏度記為 K入，則發(fā)光能量P與可見光通量F之間關系為 P= 丁P入d入；F= /

11、 K入P入d入 發(fā)光效率一一量子效率 Y=發(fā)射的光子數/pn結載流子數=（e/hcI） /入P入d入若輸入能量為 W=UI，則發(fā)光能量效率y P=P/W若光子能量 hc=ev,則門q門P ,則總光通 F= （F/P） P=K門PW 式中K= F/P 流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率 W=K r P它是評價具有外封裝 LED特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能 量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。以下列出幾種常見 LED流明效率（可見光發(fā)光效率）：LED發(fā)光顏色 入p （nm）材料可見光發(fā)光效率（lm/w ）外量子效率 最高值平均值紅光 700660650 GaP:Zn-O

12、GaAlAsGaAsP 2.40.270.38 120.50.5 130.30.2黃光 590 GaP:N-N 0.45 0.1綠光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.0150.15藍光 465 GaN 10白光 譜帶GaN+YAG小芯片1.6,大芯片18品質優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高。事實上，LED向外發(fā)光僅是內部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應為Y=門i r ct e ,式中門i向為p、n結區(qū)少子注入效率，y c為在勢壘區(qū)少子與多子復合效率，y e為外部出光（光取出效率）效率。由于LED材料折射率很高y i * 3.6。當芯片發(fā)出光在晶體材料

13、與空氣界面時（無環(huán)氧封 裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1） 2/ （n1+1 ） 2=0.32,反射出的占32%,鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。為了進一步提高外部出光效率y e可采取以下措施： 用折射率較高的透明材料（環(huán)氧樹脂n=1.55并不理想）覆蓋在芯片表面；把芯片晶體表面加工成半球形； 用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸收。有人曾經用n=2.42.6的低熔點玻璃成分 As-S（Se）-Br（I）且熱塑性大的作封帽，可使紅外 GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED 效率提高46倍。2.5發(fā)光亮度亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數，

14、具有很強方向性。其正法線方向的亮度 BO=IO/A , 指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光 通量，單位為 cd/m2或Nit。若光源表面是理想漫反射面，亮度 BO與方向無關為常數。晴朗的藍天和熒光燈的表面 亮度約為7000Nit （尼特），從地面看太陽表面亮度約為14X 108Nit。LED亮度與外加電流密度有關，一般的 LED , JO （電流密度）增加 BO也近似增大。另 外，亮度還與環(huán)境溫度有關，環(huán)境溫度升高，y c （復合效率）下降，BO減小。當環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起 pn結結溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。2.6壽命老化：LED發(fā)光

15、亮度隨著長時間工作而出現光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外 加恒流源的大小有關，可描述為Bt=BO e-t/ t , Bt為t時間后的亮度，BO為初始亮度。通常把亮度降到 Bt=1/2BO所經歷的時間t稱為二極管的壽命。測定 t要花很長的時間， 通常以推算求得壽命。測量方法：給 LED通以一定恒流源，點燃 103 104小時后，先后測 得BO , Bt=100010000 ,代入 Bt=BO e-t/ c求出c ;再把Bt=1/2BO 代入，可求出壽命 t。長期以來總認為 LED壽命為106小時，這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED 開發(fā)應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。如LED的光衰減為原來35%,壽命 6000h。3熱學特性LED的光學參數與pn結結溫有很大的關系。一般工作在小電流IF v 10mA，或者1020 mA 長時間連續(xù)點亮 LED溫升不