第一讲《LED主要参数和特性》

　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。本文将为你详细介绍。1 、LED性 电学特性 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，反之为高接触电阻。

　如上图：

　（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。

　（2）正向工作区：电流 IF 与外加电压呈指数关系 I F = I S (e qVF/KT –1) -------------------------I S

　 为反向饱和电流。V＞0 时，V＞VF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升，

　I F = I S e qVF/KT

　（3）反向死区 ：V＜0 时 pn 结加反偏压 V= - VR 时，反向漏电流 I R （V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为 10uA。

　（4）反向击穿区

　V＜- V R ，V R 称为反向击穿电压；V R 电压对应 I R 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使 V＜- V R 时，则出现 I R 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 V R 也不同。

　1.2 C-V 特性 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（零偏压）

　C≈n+pf 左右。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。

　 1.3 最大允许功耗 PFm 当流过 LED 的电流为 I F 、管压降为 U F 则功率消耗为 P=U F ×I F. 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 = K T （Tj – Ta）。

　1.4 响应时间

　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 -5 S，CRT、PDP、LED 都达到 10 -6 ~10 -7 S（us 级）。

　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 3 中 t r 、t f 。图中 t 0 值很小，可忽略。

　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。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。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。

　不同材料制得的 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。

　2 LED 光 光 学特性

　发光有红外（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。

　2.1 发光法向光强及其角分布 Iθ

　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。

　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）

　⑴ 为获得高指向性的角分布（如图 4）

　 ① LED 管芯位置离模粒头远些； ② 使用圆锥状（子弹头）的模粒头； ③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂。

　采取上述措施可使 LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。

　 ⑵ 当前几种常用封装的散射角(2θ1/2 角)圆形 LED：5°、10°、30°、45°。

　 2.2 发光峰值波长及其光谱分布

　⑴ 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。

　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。

　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

　 ① 是蓝色 InGaN/GaN 发光，发光谱峰 λp = 460～465nm；

　② 是绿色 GaP:N 的 LED，发光谱峰 λp = 550nm；

　③ 是红色 GaP:Zn-O 的 LED，发光谱峰 λp = 680～700nm；

　④ 是红外 LED 使用 GaAs 材料，发光谱峰 λp = 910nm；

　⑤ 是 Si 光电二极管，通常作光电接收用。

　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。

　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。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。

　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。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。

　 2.3 光通量 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）

　。

　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。

　 2.4 发光效率和视觉灵敏度① LED 效率有内部效率（pn 结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。

　② 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在 λ = 555nm 处有一个最大值 680 lm/w ，若视觉灵敏度记为 K λ ，则发光能量 P 与可见光通量 F 之间关系为 P=∫P λ d λ ； F=∫K λ P λ d λ ③ 发光效率——量子效率 η=发射的光子数/pn 结载流子数=（e/h c I）∫λP λ d λ。

　若输入能量为 W=UI，则发光能量效率 η P =P/W 若光子能量 hc=ev ， 则 η≈η P ，则总光通 F=（F/P）P=Kη P W 式中 K= F/P 。

　④ 流明效率：LED 的光通量 F/外加耗电功率 W=Kη P

　它是评价具有外封装 LED 特性，LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。

　以下列出几种常见 LED 流明效率（可见光发光效率）：

　 品质优良的 LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事

　实上，LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为 η=η i η c η e ，式中 η i 向为 p、n 结区少子注入效率， η c 为在势垒区少子与多子复合效率， η e 为外部出光（光取出效率）效率。

　由于 LED 材料折射率很高 η i ≈3.6。

　当芯片发出光在材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为 （n 1 -1）

　2 /（n 1 +1）

　2 =0.32， 反射出的占 32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率 η e 可采取以下措施：

　① 用折射率较高的透明材料（环氧树脂 n=1.55 并不理想）覆盖在芯片表面；

　② 把芯片晶体表面加工成半球形；

　③ 用 Eg 大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用 n=2.4~2.6 的低熔点玻璃 [成分 As-S(Se)-Br(I)] 且热塑性大的作封帽，可使红外 GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高 4~6 倍。

　2.5 发光亮度 亮度是 LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度 BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为 cd/m2 或 Nit。

　若光源表面是理想漫反射面，亮度 BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为 7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为 14×10 8 Nit。

　LED 亮度与外加电流密度有关，一般的 LED， J O （电流密度）增加 B O 也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高， η c （复合效率）下降，B O 减小。当环境温度不变，电流增大足以引起 pn 结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。

　2.6 寿命

　老化：LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为 B t =B O e -t/ τ，B t 为 t 时间后的亮度，B O 为初始亮度。

　 通常把亮度降到 B t =1/2B O 所经历的时间 t 称为二极管的寿命。测定 t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。

　 测量方法：给 LED 通以一定恒流源，点燃 10 3 ~10 4 小时后， 先后测得 B O ，B t =1000~10000，代入 B t =B O e -t/ τ 求出 τ；再把 B t =1/2B O 代入，可求出寿命 t。

　长期以来总认为 LED 寿命为 10 6 小时，这是指单个 LED 在 I F =20mA 下。

　随着功率型 LED 开发应用，国外学者认为以 LED 的光衰减百分比数值作为寿命的依据。

　如 LED 的光衰减为原来 35%，寿命＞6000h。

　3 热学特性 LED 的光学参数与 pn 结结温有很大的关系。一般工作在小电流 IF＜10mA，或者 10~20 mA 长时间连续点亮 LED 温升不明显。

　若环境温度较高，LED 的主波长或 λp 就会向长波长漂移，B O 也会下降 ，尤其是点阵、大显示屏的温升对 LED 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。

　LED的主波长随温度关系可表示为：

　由式可知，每当结温升高 10℃，则波长向长波漂移 1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保 LED 长期工作。