LED的電學(xué)特性、光學(xué)特性及熱學(xué)特性
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:光譜回應(yīng)特性、發(fā)光光強(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。
A. 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):?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?,即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻,反之為高接觸電阻。
(1) 正向死區(qū):(圖oa或oa′段)a點(diǎn)對(duì)于V0 為開啟電壓,當(dāng)V<Va,外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng),此時(shí)R很大;開啟電壓對(duì)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
IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 為反向飽和電流 。
V>0時(shí),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(shí)pn結(jié)加反偏壓
V= - VR 時(shí),反向漏電流IR(V= -5V)時(shí),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(duì)應(yīng)IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使V<- VR時(shí),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。
B . C-V特性
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(hào)用C-V特性測(cè)試儀測(cè)得。
C.最大允許功耗PF m
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(shí),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)闊幔菇Y(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(shí),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)。
D.回應(yīng)時(shí)間
回應(yīng)時(shí)間表征某一顯示器跟蹤外部資訊變化的快慢?,F(xiàn)有幾種顯示LCD(液晶顯示)約10-3~10-5S,CRT、PDP、LED都達(dá)到10-6~10-7S(us級(jí))。
LED光學(xué)特性
發(fā)光二極體有紅外(非可見)與可見光兩個(gè)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。
A.發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分佈Iθ
發(fā)光強(qiáng)度(法向光強(qiáng))是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)指向性:位于法向方向光強(qiáng)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(qiáng)也隨之變化。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向。發(fā)光強(qiáng)度的角分佈Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分佈。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)
B.發(fā)光峰值波長(zhǎng)及其光譜分佈
LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同,繪成一條分佈曲線——光譜分佈曲線。當(dāng)此曲線確定之后,器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。
LED的光譜分佈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)。
C. LED 光譜分佈曲線
1藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈
① 是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN發(fā)光二極體,發(fā)光譜峰λp = 460~465nm;
?、?是綠色GaP:N的LED,發(fā)光譜峰λp = 550nm;
③ 是紅色GaP:Zn-O的LED,發(fā)光譜峰λp = 680~700nm;
④ 是紅外LED使用GaAs材料,發(fā)光譜峰λp = 910nm;
?、?是Si光電二極體,通常作光電接收用。
由圖可見,無論什麼材料制成的LED,都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處(光輸出最大),與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng),此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng),用λp表示。只有單色光才有λp波長(zhǎng)。
譜線寬度:在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處,存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值(最大光強(qiáng)度)一半的點(diǎn),此兩點(diǎn)分別對(duì)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。
主波長(zhǎng):有的LED發(fā)光不單是單一色,即不僅有一個(gè)峰值波長(zhǎng);甚至有多個(gè)峰值,并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長(zhǎng)。主波長(zhǎng)就是人眼所能觀察到的,由LED發(fā)出主要單色光的波長(zhǎng)。單色性越好,則λp也就是主波長(zhǎng)。
如GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(zhǎng),而主波長(zhǎng)只有一個(gè),它會(huì)隨著LED長(zhǎng)期工作,結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)波。
D.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L(zhǎng)ED向各個(gè)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。可見光LED的光通量單位為流明(lm)。
LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水準(zhǔn)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(duì)于1mm×1mm的功率級(jí)芯片制成白光LED,其F=18 lm。
E.發(fā)光效率和視覺靈敏度
?、?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(píng)價(jià)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(xué)中一些參量。人的視覺靈敏度在λ = 555nm處有一個(gè)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
?、?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(píng)價(jià)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。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(shí)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?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入效率,ηc為在勢(shì)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介面時(shí)(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(duì)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(jìn)一步提高外部出光效率ηe可採取以下措施:
?、?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;
② 把芯片晶體表面加工成半球形;
?、?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(diǎn)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(fā)光亮度
亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù),具有很強(qiáng)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(lán)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(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)。
G.壽命
老化:LED發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)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(shí)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(shí)間t稱為二極體的壽命。測(cè)定t要花很長(zhǎng)的時(shí)間,通常以推算求得壽命。測(cè)量方法:給LED通以一定恒流源,點(diǎn)燃103 ~104 小時(shí)后,先后測(cè)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(zhǎng)期以來總認(rèn)為L(zhǎng)ED壽命為106小時(shí),這是指單個(gè)LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用,國外學(xué)者認(rèn)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。
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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高,LED的主波長(zhǎng)或λp 就會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移,BO也會(huì)下降,尤其是點(diǎn)陣、大顯示幕的溫升對(duì)LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。
LED的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系可表示為λp( T′)=λ0(T0)+△Tg×0.1nm/℃
由式可知,每當(dāng)結(jié)溫升高10℃,則波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移1nm,且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對(duì)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(qiáng)、光亮度的設(shè)計(jì)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(zhǎng)期工作。
評(píng)論