LED是利用化合物材料制成pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性:I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性:光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學(xué)特性。本文將為你詳細介紹。
1、LED電學(xué)特性
1.1 I-V特性
表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì):單向?qū)щ娦裕赐饧诱珘罕憩F(xiàn)低接觸電阻,反之為高接觸電阻。
如上圖:
(1) 正向死區(qū):(圖oa 或oa′段)a點對于V0 為開啟電壓,當(dāng)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1.2V,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(shù)關(guān)系
為反向飽和電流。V>0 時,V>VF 的正向工作區(qū)IF 隨VF 指數(shù)上升,
IF = IS e qVF/KT
(3)反向死區(qū) :V<0 時pn 結(jié)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) V<- VR ,VR 稱為反向擊穿電壓;VR 電壓對應(yīng)IR 為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使V<- VR 時,則出現(xiàn)IR 突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于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。
1.2 C-V特性
鑒于LED 的芯片有9×9mil (250×250um),10×10mil,11×11mil (280×280um),12×12mil (300×300um),故pn 結(jié)面積大小不一,使其結(jié)電容(零偏壓)C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函數(shù)關(guān)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PFm
當(dāng)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復(fù)合發(fā)出光,還有一部分變?yōu)闊?,使結(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta,則當(dāng)Tj>Ta 時,內(nèi)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(yīng)時間
響應(yīng)時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?,F(xiàn)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)。
1.響應(yīng)時間從使用角度來看,就是LED點亮與熄滅所延遲的時間,即圖3中tr 、tf 。圖中t0 值很小,可忽略。
② 響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED 的點亮?xí)r間——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%所經(jīng)歷的時間。LED 熄滅時間——下降時間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。
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不同材料制得的LED 響應(yīng)時間各不相同;如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應(yīng)時間<10-9S,GaP 為10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ 高頻系統(tǒng)。
2 LED光學(xué)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(xué)來量度其光學(xué)特性。
2.1 發(fā)光法向光強及其角分布Iθ
2.1.1 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(yīng)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°。當(dāng)偏離正法向不同θ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Iθ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)
⑴ 為獲得高指向性的角分布(如圖4)
① LED 管芯位置離模粒頭遠些;
② 使用圓錐狀(子彈頭)的模粒頭;
③ 封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。
⑴ 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——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后,器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。
LED 的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)(外延層厚度、摻雜雜質(zhì))等有關(guān),而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。
下圖繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED 光譜響應(yīng)曲線。其中
① 是藍色InGaN/GaN 發(fā)光二極管,發(fā)光譜峰λp = 460~465nm;
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(yīng)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。
⑵ 譜線寬度:在LED 譜線的峰值兩側(cè)±△λ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(yīng)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(shù),LED 半寬小于40 nm。
⑶ 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λp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(jié)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(biāo)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(guān)。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——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色LED 的光通量最大約1 lm,白光LED 的F≈1.5~1.8 lm(小芯片),對于1mm×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
① LED效率有內(nèi)部效率(pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)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。
② 視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)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(fā)光能量P 與可見光通量F 之間關(guān)系為P=∫Pλdλ ; F=∫KλPλdλ
③ 發(fā)光效率——量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn 結(jié)載流子數(shù)=(e/hcI)∫λPλdλ。若輸入能量為W=UI,則發(fā)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(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):
品質(zhì)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(nèi)部發(fā)光的一部分,總的發(fā)光效率應(yīng)為η=ηiηcηe,式中ηi 向為p、n 結(jié)區(qū)少子注入效率,ηc 為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率,ηe 為外部出光(光取出效率)效率。
由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(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(dāng)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ηe 可采取以下措施:
① 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;
② 把芯片晶體表面加工成半球形;
③ 用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)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。
2.5 發(fā)光亮度
亮度是LED 發(fā)光性能又一重要參數(shù),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(nèi)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(guān)為常數(shù)。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14×108Nit。
LED 亮度與外加電流密度有關(guān),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(guān),環(huán)境溫度升高,ηc(復(fù)合效率)下降,BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變,電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高,溫升后,亮度呈飽和狀態(tài)。
2.6 壽命
老化:LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān),可描述為Bt=BO e-t/τ,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(jīng)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=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(fā)應(yīng)用,國外學(xué)者認為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。
如LED 的光衰減為原來35%,壽命>6000h。
3 熱學(xué)特性
LED的光學(xué)參數(shù)與pn 結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF<10mA,或者10~20 mA 長時間連續(xù)點亮LED 溫升不明顯。
若環(huán)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、大顯示屏的溫升對LED 的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計散射通風(fēng)裝置。
LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為:
由式可知,每當(dāng)結(jié)溫升高10℃,則波長向長波漂移1nm,且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于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(shè)計尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)iT通用設(shè)備、確保LED 長期工作。