LED的電學特性、光學特性及熱學特性

LED是利用化合物材料製成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:光譜回應特性、發光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。

LED電學特性

A. I-V特性
表徵LED晶片pn結製備性能主要參數。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。
(1) 正向死區:(圖oa或oa′段)a點對於V0 為開啟電壓,當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;開啟電壓對於不同LED其值不同,GaAs為1V,紅色GaAsP為1.2V,GaP為1.8V,GaN為2.5V。
(2)正向工作區:電流IF與外加電壓呈指數關係
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IF 隨VF指數上升 IF = IS e qVF/KT
(3)反向死區 :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 V<- 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<- VR時,則出現IR突然增加而出現擊穿現象。由於所用化合物材料種類不同,各種LED的反向擊穿電壓VR也不同。
B . C-V特性
LED的晶片有9×9mil (250×250um),10×10mil,11×11mil (280×280um),12×12mil (300×300um),故pn結面積大小不一,使其結電容(零偏壓)C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函數關係(如圖2)。由1MHZ交流信號用C-V特性測試儀測得。
C.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×IF
LED工作時,外加偏壓、偏流一定促使載流子複合發出光,還有一部分變為熱,使結溫升高。若結溫為Tj、外部環境溫度為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)。
C.回應時間
回應時間表征某一顯示器跟蹤外部資訊變化的快慢。現有幾種顯示LCD(液晶顯示)約10-3~10-5S,CRT、PDP、LED都達到10-6~10-7S(us級)。

LED光學特性

發光二極體有紅外(非可見)與可見光兩個系列,前者可用輻射度,後者可用光度學來量度其光學特性。
A.發光法向光強及其角分佈Iθ
發光強度(法向光強)是表徵發光器件發光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝,由於凸透鏡的作用,故都具有很強指向性:位於法向方向光強最大,其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度,光強也隨之變化。發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。發光強度的角分佈Iθ是描述LED發光在空間各個方向上光強分佈。它主要取決於封裝的工藝(包括支架、模粒頭、環氧樹脂中添加散射劑與否)
B.發光峰值波長及其光譜分佈
LED發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同,繪成一條分佈曲線——光譜分佈曲線。當此曲線確定之後,器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。
LED的光譜分佈與製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。
C. LED 光譜分佈曲線
1藍光InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O
4 紅外GaAs 5 Si光敏光電管 6 標準鎢絲燈
① 是藍色InGaN/GaN發光二極體,發光譜峰λp = 460~465nm;
② 是綠色GaP:N的LED,發光譜峰λp = 550nm;
③ 是紅色GaP:Zn-O的LED,發光譜峰λp = 680~700nm;
④ 是紅外LED使用GaAs材料,發光譜峰λp = 910nm;
⑤ 是Si光電二極體,通常作光電接收用。
由圖可見,無論什麼材料製成的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λp表示。只有單色光才有λp波長。
  譜線寬度:在LED譜線的峰值兩側±△λ處,存在兩個光強等於峰值(最大光強度)一半的點,此兩點分別對應λp-△λ,λp+△λ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半寬小於40 nm。
主波長:有的LED發光不單是單一色,即不僅有一個峰值波長;甚至有多個峰值,並非單色光。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發出主要單色光的波長。單色性越好,則λp也就是主波長。
如GaP材料可發出多個峰值波長,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。
D.光通量
光通量F是表徵LED總光輸出的輻射能量,它標誌器件的性能優劣。F為LED向各個方向發光的能量之和,它與工作電流直接有關。隨著電流增加,LED光通量隨之增大。可見光LED的光通量單位為流明(lm)。
LED向外輻射的功率——光通量與晶片材料、封裝工藝水準及外加恒流源大小有關。目前單色LED的光通量最大約1 lm,白光LED的F≈1.5~1.8 lm(小晶片),對於1mm×1mm的功率級晶片製成白光LED,其F=18 lm。
E.發光效率和視覺靈敏度
① 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晶片優劣的特性。
LED光電最重要的特性是用輻射出光能量(發光量)與輸入電能之比,即發光效率。
② 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λ = 555nm處有一個最大值680 lm/w。若視覺靈敏度記為Kλ,則發光能量P與可見光通量F之間關係為 P=∫Pλdλ ; F=∫KλPλdλ
③ 發光效率——量子效率η=發射的光子數/pn結載流子數=(e/hcI)∫λPλdλ
若輸入能量為W=UI,則發光能量效率ηP=P/W
若光子能量hc=ev,則η≈ηP ,則總光通F=(F/P)P=KηPW 式中K= F/P
④ 流明效率:LED的光通量F/外加耗電功率W=KηP
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,故也叫可見光發光效率。品質優良的LED要求向外輻射的光能量大,向外發出的光盡可能多,即外部效率要高。事實上,LED向外發光僅是內部發光的一部分,總的發光效率應為
η=ηiηcηe ,式中ηi向為p、n結區少子注入效率,ηc為在勢壘區少子與多子複合效率,ηe為外部出光(光取出效率)效率。
由於LED材料折射率很高ηi≈3.6。當晶片發出光在晶體材料與空氣介面時(無環氧封裝)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%,鑒於晶體本身對光有相當一部分的吸收,於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ηe可採取以下措施:① 用折射率較高的透明材料(環氧樹脂n=1.55並不理想)覆蓋在晶片表面;② 把晶片晶體表面加工成半球形;
③ 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=2.4~2.6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4~6倍。
F.發光亮度
亮度是LED發光性能又一重要參數,具有很強方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上發光體表面亮度等於發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。晴朗的藍天和螢光燈的表面亮度約為7000Nit(尼特),從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。
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,亮度還與環境溫度有關,環境溫度升高,ηc(複合效率)下降,BO減小。當環境溫度不變,電流增大足以引起pn結結溫升高,溫升後,亮度呈飽和狀態。
G.壽命
老化:LED發光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/τ,Bt為t時間後的亮度,BO為初始亮度。
通常把亮度降到Bt=1/2BO所經歷的時間t稱為二極體的壽命。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 小時後,先後測得BO ,Bt=1000~10000,代入Bt=BO e-t/τ求出τ;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。

熱學特性

LED的光學參數與pn結結溫有很大的關係。一般工作在小電流IF<10mA,或者10~20 mA長時間連續點亮LED溫升不明顯。若環境溫度較高,LED的主波長或λp 就會向長波長漂移,BO也會下降,尤其是點陣、大顯示幕的溫升對LED的可*性、穩定性影響應專門設計散射通風裝置。

LED的主波長隨溫度關係可表示為λp( T′)=λ0(T0)+△Tg×0.1nm/℃
由式可知,每當結溫升高10℃,則波長向長波漂移1nm,且發光的均勻性、一致性變差。這對於作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設計尤其應注意用散熱好的燈具外殼或專門通用設備、確保LED長期工作。

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