LED的特性参数

LED参数与特性
LED（发光二极管）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。
1、LED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电阻，反之为高接触电阻。
如图：

(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
IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 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 IF = IS 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IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（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。

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，使其结电容（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PF m
当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IF
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）。

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10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S（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，即图中tr 、tf 。图中t0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。
2 LED光学特性
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。
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1）


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 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。
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。

LED 光谱分布曲线
1蓝光InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红光 GaP:Zn-O 4 红外GaAs 5 Si光敏光电管 6 标准钨丝灯
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。
LED光电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Kλ，则发光能量P与可见光通量F之间关系为 P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ
③ 发光效率——量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数=（e/hcI）∫λPλdλ
若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W
若光子能量hc=ev,则η≈ηP ，则总光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P
④ 流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP
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=ηiηcηe ，式中ηi向为p、n结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光（光取出效率）效率。
由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+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。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14×108Nit。
LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO也近似增大。
另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，ηc（复合效率）下降，BO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Bt=BO e-t/τ，Bt为t时间后的亮度，BO为初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2BO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103 ~104 小时后，先后测得BO ，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。
长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在IF=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10~20mA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，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。
LED的主波长随温度关系可表示为λp（ T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃
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。


LED的特性参数
3.1LED的效率[2]
3.1.1用于非显示的LED
用于非显示时，使用功率效率ηp与光学效率ηo。
1.功率效率ηp：即将输入的电功率Pi转换成辐射的功率Pe的效率。即
ηp=Pe/Pi×100% (3-1)
要提高ηp，就是要提高在一定电功率输入下的辐射功率输出，也就是减小器件的无用电功率损耗。如作好欧姆接触以减小焦耳热的损耗功率等。
2.光学效率ηo：即外量子效率ηqe与内量子效率ηqi的比。即
ηo=ηqe/ηqi (3-2)
光学效率可用来比较外量子效率的相对大小。所谓量子效率是指注入载流子复合而产生的光量子的效率。但由于内吸收和外反射等原因，使得产生的光量子效率等于

辐射复合所产生的光子数N1T与激发时注入的电子空穴对数G之比。即
ηqi=N 1T/G (3-3)
由于半导体材料的折射率较高，反射和吸收的损失很大，所以辐射复合所产生的光量子不能全部射出器件之外。外量子效率是射出的光子数NT与注入的电子空穴对数G之比。即
ηqe=NT/G (3-4)
3.1.2用于显示的LED
用于显示的LED，有实际意义的是流明效率ηL（光度效率或发光效率）。即用人眼衡量的效率，它表示消耗单位电功率Pi所得到的光通量F。即
ηL=F/Pi(lm/W) (3-5)
ηL=ηp?ηb (3-6)
而
式中，ηb为照明功率，它是辐射功率转换成光通量的效率。即
ηb=F/Pe(lm/W) (3-7)
显然，提高ηL的方法就是提高ηp和ηb。即使发射光谱与视见函数有最大的重迭。
3.2发光光谱
发光光谱是指发光的相对强度（或能量）随波长（或频率）变化的分布曲线。[3]它直接决定着LED的发光颜色并影响它的流明效率。发射光谱的形成是由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和半强度宽度（称为半宽度）。
对于辐射跃迁所发射的光子，其波长λ与跃迁前后的能量差ΔE之间的关系为
λ=hc/ΔE。对于发光二极管，复合跃迁前后的能量差大体就是材料的禁带宽度决定的。对大多数半导体材料来讲，由于折射率较大，在发射逸出半导体之前，可能在样品内已经过了多次反射。因为段波光比长波光更容易被吸收，所以峰值波长相应的光子能量比禁带宽度小些。例如GaAs的峰值波长出现在1.1eV，比室温下的禁带宽度少0.3eV。图3-1给出了GaAs0.6P0.4和的发射光谱。当GaAs1–xPx中的x值不同时，峰值波长在620～680nm之间变化，谱线半宽度大致为20～30nm。GaP发光的峰值波长在700nm附近，半宽度大约为100nm。

图3-1 GaAs0.6P0.4与GaP的发光光谱

峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增长而减少。在结温上升时，谱带波长以0.2～0.3nm/℃的比例向长波方向移动
3.3伏安特性
LED的伏安特性如图3-2所示,它与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性。[4]这时正向电流与电压的关系为
i =i0exp(eV/mkT) (3-8)
式中，m为复合因子。在宽禁带半导体中，当电流i＜0.1mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m =2。电流增大后，扩散电流占优势时，m =1。因而实际测得的m值大小可以标志器件发光特性的好坏。
反向击穿电压一

般在-1.5V以上。

图3-2 发光二极管的伏安特性曲线

3.4发光亮度与电流的关系[2]
LED的发光亮度B是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度B与电子扩散电流idn之间有如下关系：
B ∝idnτ/eτR (3-9)
式中，τ是载流子辐射复合寿命τR和非辐射寿命τNR的函数。

图3-3 GaAs1–xPx、Ga1-xAlxAs和GaP发光二极管的亮度与电流密度的关系
图3-3给出了GaAs1–xPx、Ga1-xAlxAs和GaP（绿）发光二极管的亮度与电流密度的关系。这些亮度随电流密度近似成正比增加而不易饱和的管子，适合于在脉冲下使用。因为脉冲状态工作不易发热，在平均电流与直流电流相等的情况下可以得到更高的亮度。
3.5LED的寿命
LED的寿命定义为亮度降低到原有亮度的一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于1A/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大。老化变快，寿命变短。
3.6响应时间
在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即指器件启亮（上升）与熄灭（率减）时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般都很短，如GaAs1–xPx仅为几个ns,Gap约为100ns。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空因数必须在器件响应时间所许可的范围内。