半导体发光器件LD和LED

8）发光效率 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）。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。
LED最重要的光电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。
为了进一步提高外部出光效率ηe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。
器件工作时的温度会影响发射光谱，随着温度升高， Δλ 变大， λmax也会发生漂移0.3~0.4nm/度， Δλ 在 光通信中是一个很重要的参量。
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。
人眼 感光
1 蓝光InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N
四、LED的驱动电路
1.为什么LED需要驱动电路？ LED不像普通的白炽灯，可以直接连接220V交流市电使用。 LED是2~3V的低电压驱动，且是特性敏感的半导体器件（I-V 特性，负的电阻温度特性），因此必须设计合适的驱动电路 ，使其处于工作状态。
2.选择和设计LED驱动电路需要考虑的问题 1）高可靠性（特别对于室外照明显示） 2）高效率（符合LED节能环保的特点） 3）浪涌保护（提升LED抗反向电压能力） 4）保护功能（增加LED温度负反馈，仿真LED温度过高） 5）防护方面（防水、防潮、外壳耐晒） 6）驱动方式：恒压驱动、恒流驱动 7）驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配 8）考虑电磁兼容
B0：起始亮度；j：工作电流密度；t：工作时间； : 老化时间常数，
一般为106 mA / cm2
影响LED寿命的因素有： • 表面漏电流的增加 • 沾污物(Cu)的内扩散 • 在p-n结附近形成非辐射复合中心。
解决方法：对于前面两个因素，可采用合适的钝化、封 装以及清洗技术予以消除，对于后一个原因可以在制作 LED时尽量保证晶格的完整性，降低其缺陷密度，来达到 缓解非辐射复合中心产生的速度，但不能完全消除。
5）方向性
LED的发光强度因树脂透镜的形状不同而方向性不同。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。
为获得高指向性的角分布
①使用圆锥状（子弹头）的模粒头； ② LED管芯位置离模粒头远些； ③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂
例：III-V族化合物半导体的光谱半高宽大多在30~50nm，对 GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAs由于x不同， λmax＝620～680nm， Δλ ＝20～30nm；
对GaP（红）: λmax＝700nm，Δλ ＝10nm； 对GaP（绿）: λmax＝570nm，Δλ ＝25nm。
窄的半高宽可以使得色彩感更敏锐。
第四章 半导体发光器件
4.1 发光二极管LED 4.2 半导体激光器LD
4.1 发光二极管（LED）
发光二极管（Light Emitting Diode），简称LED，是一种 能将电能转换为光能的半导体器件（固态发光元件），由 磷化镓、砷化镓、磷砷化镓、砷磷化镓等半导体材料制成。
一、发光二极管的工作原理和结构
普通发光二极管的工作电压一般都为2~3V，电路只要满足工作 电压的要求，不论是直流还是交流都可以。可根据要求选择发 光二极管的发光颜色；根据安装位置，选择发光二极管的形状 和尺寸。
发光二极管工作的条件： 1、加正偏电压
2、正偏电压大于1.5V，一 般在2V到3V
3、工作电流为10~30mA为适宜
2.发光二极管的检测
用万用表检测发光二极管时，必须 使用“R×10k”挡。因为发光二极 管 的 管 压 降 为 2V 左 右 ， 而 万 用 表 “R×1k”及其以下各电阻挡表内 电池仅为1.5V，低于管压降，无论 正、反向接入，发光二极管都不可 能导通，也就无法检测。用 “R×10k”挡时表内接有15V（有 些万用表为9V）电池，高于管压降， 所以可以用来检测发光二极管。
有 人 曾 经 用 n=2.4~2.6 的 低 熔 点 且 热 塑 性 大 的 玻 璃 [ 成 分 AsS(Se)-Br(I)]作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效 率提高4~6倍。
LED
λp
发光颜色 （nm）
材料
可见光发光效率 （lm/w）
: 700 GaP Zn-O
红光
1. [回顾]工作原理 LED本质上是一种ＰＮ结半导体器件，其发光原理为低电 场下的注入式电致发光：加电场-》载流子扩散-》复合发 光
发光波长由PN结的禁带宽度Eg决定，即取决于材料的性质。 P区和N区发光的比例由LED的材料、结构和掺杂决定。
2. LED的结构：
采用半导体工艺在衬底上 制作p-n结，然后制作Al电 极，接着在半导体衬底一 面蒸镀Au－Ge电极，制得 芯片，封装芯片，焊到管 座上，由超声波焊接或热 压焊引出电极，最后涂覆 透明的环氧树脂。
图2 指向性弱（2θ 1/2大）
采用不同的封装工艺，圆形 LED：5°、10°、30°、45°
采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6° 左右，大大提高了指向性。
6）响应时间 从电流流过LED到管芯发光所需要的时间，又称响应速度。 在快速显示，快速调制时，器件对信息的反应速度，即对
启亮和熄灭时间有一定的要求.
3.LED的驱动方式 1）恒压源驱动 采用恒压源和限流电阻（图1）是成本最低的解决方案。 缺点：（稳流能力差）由于I-V曲线的非线性，只要电压有很
小的变化，电流就会变化很大（亮度变化）
求 LED 发 光 时 的限流电阻值
R=(Vin-VF)/IF
2）恒流源驱动
比较理想的白光LED驱动方式是采用恒电流源，它能避免白光 LED正向电压改变而造成的电流变动。使用可控制的固定正向电 流，就能提供可控制的固定显示亮度。
（6）按封装材料分 按封装材料的不同可
分为 塑料封装 陶瓷封装 金属封装 树脂封装 无引线封装
常见发光二极管的外形图
三、可见光发光二极管的特性（主要参数）
1.绝对最大额定值 发光二极管的主要参数有最大工作电流IFM和最高反向电压URM。 （1）最大工作电流IFM •IFM是指发光二极管长期正常工作所允许通过的最大正向电 流。使用中不能超过此值，否则将会烧毁发光二极管。
4 红外GaAs
5 Si光电二极管
3 红光 GaP:Zn-O 6 标准钨丝灯
① 是蓝色InGaN/GaN发光二极管，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。
五、发光二极管的基本使用方法
1.如何使可见光发光二极管发光
由于LED是单向导通电阻，在正向，如果电压不超过上升电压， 也没有电流流动。因此，为了使LED发光，电源电压至少要大 于上升电压（正向电压）。
正向电压与LED发光颜色有关（P10 表1-2）： 红~黄：1.8-2.2V；绿~蓝：3.0-3.6V 正向电流与LED种类有关（~20mA）
反向击穿电压 一般在十几伏~几十伏 非线性、整流特性 单向导电性：正向低接触电阻，反向高接触电阻
2） B～V特性和B～I特性（发光强度与正向电流特性） • LED的发光亮度B与电压V的关系，用下式表示：
B＝B0 exp( ev / KT )
B0为起始亮度（开启点的 亮度） • LED的B～I特性用下式表示：
电流小功率的都尽量控制在20mA，指示用LED~5mA。
• 注意事项：
使用发光二极管时应注意不要超过其最大功耗、最大正向电流和反 向击穿电压等，并注意以下几个问题： （1）若用电压源驱动，则应在电路中串接限流电阻，以限制流过管 子的正向电流，防止LED因电流过大而损坏。 （2）交流驱动时，为防止LED被反向击穿，可在其两端并联反极性 整流二极管保护。 （3）在焊接发光二极管时，烙铁的温度不应过高或焊接时间不宜过 长，以免损坏发光二极管。
B＝KIm
K为比例系数；I低时：m＝1.3 ~ 1.5，I高时：m＝1
一般地，在流过额定电流值以内的情况，大体可认为发光 强度与I成正比，斜率K与发光材料有关。（不过也有例外， 如GaP(红光)当少数载流子密度达到一定的数值时会使发 光中心饱和）
3）发光强度-环境温度特性
由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温度上升，亮 度下降；温度增加1度，发光效率减小1％，当LED消耗功率大，则 结温上升，输出亮度下降，使得发光强度随电流I不再线性增长， 而是呈现热饱和现象。所以减小功耗，改良散热条件很重要。
IF
• 响应时间与少子的寿命、结电容、 寄生电容有关。
• LED的响应时间很短，主要是由于 相对亮度 载流子的直接跃迁复合时间较短。 例 ： GaP 为 100ns ， GaAsP 只 有 几 个ns。
7）寿命 LED的寿命一般很长，j＝1A/cm2,寿命为106h，与j有关，
近似表示为 B(t) B0 exp( tj / )
发光二极管的构成：管芯支架、管芯晶片、金线、环氧树脂
1）单色LED：P3 图1-2 2）白光LED
白光LED1：图1
白ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱLED2：图2
二、发光二极管的分类
发光二极管的种类很多：
（1）按材料分 可分为砷化镓LED、磷砷化镓 LED、磷化镓发LED、砷铝化镓LED等。
（2）按发光二极管的发光颜色分 可分为红色、绿色、黄色、橙色等可见光发光二极管以及不可见的红 外发光二极管。 （3）按发光效果分 按发光效果可分为固定颜色LED和变色LED两类，其中变色LED包括双色 和三色等。
2. LED的特性 1）I～V特性
其正向I～V特性与普通二极管大致相同
图 发光二极管的电流-电压特性
For ideal diode, current flows only one way Real diode is close to ideal
Ideal Diode
上升电压： GaAs ~ 1.V GaAsP/GaAlAs ~ 1.5V GaP ~ 1.8V GaN ~ 2.5V INGaN ~ 3.0V
（4）按发光二极管的封装外形分 按发光二极管的封装外形可分为圆柱形、矩形、方形、三角形、组合 形发光二极管。其中圆形发光二极管的外径有Φ2~Φ20mm等多种规格， 常用的有Φ3mm、Φ5mm等。
（5）按封装形式分 按封装形式有可分为: 有色透明封装（C） 无色透明封装（T） 有色散射封装（D） 无色散射封装（W）
660 GaAlAs
650 GaAsP
黄光
: 590 GaP N-N
绿光
: 555 GaP N
蓝光
465
GaN
2.4 0.27 0.38
0.45 4.2
白光
谱带
GaN+YAG
小芯片1.6， 大芯片18
外量子效率
最高值
平均值
12
1~3
0.5
0.3
0.5
0.2
0.1 0.7 0.015~0.15 10
例：
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。
此外，若环境温度较高，LED的 主波长或λp 就会向长波长漂 移，BO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。
4）发射光谱 描述LED发射光谱分布的两个主要参量： 峰值波长λmax与半高宽Δλ（单色性指标） 。
（2）最高反向电压URM •URM是指发光二极管在不被击穿的前提下，所能承受的最大 反向电压。使用中不应使发光二极管承受超过此参数值， 否则发光二极管将可能被击穿。
•最大峰值电流和最高反向电压通常与环境温度相关。
• 此外，容许损耗、工作温度、保存温度、焊接温度等在使 用时也必须注意。
• 注意：尽管在额定值范围内使用,一般不会损坏LED，但为 了延长器件的使用寿命和提高可靠性，合理的使用值通常 低于额定值的一定范围（<~60%）。