发光二极管主要参数与特性
发布日期：2007-2-5 17:12:17 信息来源：LED
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I F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＞V F的正向工作区I F 随V F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= - 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)，12×12mi l (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、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10-3~1 0-5S，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
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
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。

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=∫Pλd λ；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/h c I）∫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=KηP W 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。