LED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。 lh(A=hn"n
1、LED电学特性 n)sK#C-VA
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。 "P&|e|7
如左图: <Zl0$~B:5
(1) 正向死区:(图oa或oa′段)a点对于V0 为开启电压,当V<Va,外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场,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。 ^NHQ[4I
(2)正向工作区:电流IF与外加电压呈指数关系 $qP9EZ]JC
IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 为反向饱和电流 。 8ftLYMX@
V>0时,V>VF的正向工作区IF 随VF指数上升 IF = IS e qVF/KT zbl h_6
(3)反向死区 :V<0时pn结加反偏压 ucJR #14
V= - VR 时,反向漏电流IR(V= -5V)时,GaP为0V,GaN为10uA。 f2uog$Hk
(4)反向击穿区 V<- VR ,VR 称为反向击穿电压;VR 电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V<- VR时,则出现IR突然增加而出现击穿现象。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。 Mff_j0D
1.2 C-V特性 u17Da9@;
鉴于LED的芯片有9×9mil (250×250um),10×10mil,11×11mil (280×280um),12×12mil (300×300um),故pn结面积大小不一,使其结电容(零偏压)C≈n+pf左右。 ",#rI+ el
C-V特性呈二次函数关系(如图2)。由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。 wAF>C[ <\
1.3 最大允许功耗PF m 1Q#hanh_`
当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IF p#^L
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LED工作时,外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光,还有一部分变为热,使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta,则当Tj>Ta时,内部热量借助管座向外传热,散逸热量(功率),可表示为P = KT(Tj – Ta)。 b?B"u^b!
1.4 响应时间 rv9qF |2r{
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10-3~10-5S,CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S(us级)。 [<1i[\^
① 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,可忽略。 p%xo@v(
② 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。 PcM:0(,G
LED的点亮时间——上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始,一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。 j<8_SD =,
LED 熄灭时间——下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。 '?_I-="Mr
不同材料制得的LED响应时间各不相同;如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间<10-9S,GaP为10-7 S。因此它们可用在10~100MHZ高频系统。 W=GNo9:
2 LED光学特性 : b $
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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。 e}(.u1
2.1 发光法向光强及其角分布Iθ &EE6<-B-
2.1.1 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,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θ角度,光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。 L7X._XBO[
2.1.2 发光强度的角分布Iθ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) :M1+[FT
⑴ 为获得高指向性的角分布(如图1) j9y,UT
① LED管芯位置离模粒头远些; ugVsp&i#
② 使用圆锥状(子弹头)的模粒头; *>$'aQ
③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂。 i:qc2#O:J
采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右,大大提高了指向性。 &7E 0H{
⑵ 当前几种常用封装的散射角(2θ1/2角)圆形LED:5°、10°、30°、45° k8Qv>z
2.2 发光峰值波长及其光谱分布 v:JFUn}
⑴ LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同,绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后,器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。 K~x G+Kh
LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关,而与器件的几何形状、封装方式无关。 Sn7.KYS
下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。其中 G
U0zlG] C
4w2V["?X1
LED 光谱分布曲线 &fiDmUxj
1蓝光InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红光 GaP:Zn-O Wq&TbWR
4 红外GaAs 5 Si光敏光电管 6 标准钨丝灯 o~mY,7@a
① 是蓝色InGaN/GaN发光二极管,发光谱峰λp = 460~465nm; b.8HGt<%
② 是绿色GaP:N的LED,发光谱峰λp = 550nm; z<: 9,wtbP
③ 是红色GaP:Zn-O的LED,发光谱峰λp = 680~700nm; CU lANd"
④ 是红外LED使用GaAs材料,发光谱峰λp = 910nm; q^"P_pV\
⑤ 是Si光电二极管,通常作光电接收用。 =1VY/sv
由图可见,无论什么材料制成的LED,都有一个相对光强度最强处(光输出最大),与之相对应有一个波长,此波长叫峰值波长,用λp表示。只有单色光才有λp波长。 */O6cF7
⑵ 谱线宽度:在LED谱线的峰值两侧±△λ处,存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点,此两点分别对应λp-△λ,λp+△λ之间宽度叫谱线宽度,也称半功率宽度或半高宽度。 G5TdAW
半高宽度反映谱线宽窄,即LED单色性的参数,LED半宽小于40 nm。 {;f`t3D
⑶ 主波长:有的LED发光不单是单一色,即不仅有一个峰值波长;甚至有多个峰值,并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的,由LED发出主要单色光的波长。单色性越好,则λp也就是主波长。 '9{H(DA
如GaP材料可发出多个峰值波长,而主波长只有一个,它会随着LED长期工作,结温升高而主波长偏向长波。 I BES$[
2.3 光通量 &|/C*2A
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)。 H# 2'\0u
LED向外辐射的功率——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F≈1.5~1.8 lm(小芯片),对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED,其F=18 lm。 NawnC!~ $
2.4 发光效率和视觉灵敏度 \<