发光二极管主要参数与特性(精)

发光二极管主要参数与特性(精)

发光二极管主要参数与特性

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。 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。

如左图：

(1) 正向死区：（图oa 或oa ′段）a 点对于V 0

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I F 与外加电压呈指数关系

I F = I S (e qV F /KT

–1) -------------------------I S 为反向饱和电流 。

V ＞0时，V ＞V F 的正向工作区I F 随V F 指数上升 I F = I S e qV F /KT

（3）反向死区 ：V ＜0时pn 结加反偏压 V= - V R 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1MH Z 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I F 、

正向死区

图I-V 特性曲线

反向死区击穿区I R

I V R 0I F 工作区V F V

′′

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10-3~10-5S ，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t r 、t f 。图中t 0值

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t r 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t f 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10~100MH Z 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I θ

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I θ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°、

相对亮度

I

F

10°、30°、45°

2.2 发光峰值波长及其光谱分布

⑴LED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。

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

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。

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。