LED是利用化合物材料制成pn結(jié)的光電器件,。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性,、發(fā)光光強(qiáng)指向特性,、時間特性以及熱學(xué)特性。本文將為你詳細(xì)介紹,。
1,、LED電學(xué)特性
1.1 I-V特性
表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線性,、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻,。

如上圖：

（1） 正向死區(qū)：（圖oa 或oa′段）a點(diǎn)對于V0 為開啟電壓,，當(dāng)V＜Va，外加電場尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢壘電場,，此時R很大,；開啟電壓對于不同LED其值不同，GaAs 為1V,，紅色GaAsP 為1.2V,，GaP 為1.8V，GaN 為2.5V,。

（2）正向工作區(qū)：電流IF 與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系
IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS

為反向飽和電流,。V＞0 時，V＞VF 的正向工作區(qū)IF 隨VF 指數(shù)上升,，
                         IF = IS e qVF/KT

（3）反向死區(qū) ：V＜0 時pn 結(jié)加反偏壓V= - VR 時,，反向漏電流IR（V= -5V）時，GaP 為0V,，GaN 為10uA,。

（4）反向擊穿區(qū)
V＜- VR ，VR 稱為反向擊穿電壓,；VR 電壓對應(yīng)IR 為反向漏電流,。當(dāng)反向偏壓一直增加使V＜- VR 時，則出現(xiàn)IR 突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同,，各種LED 的反向擊穿電壓VR 也不同,。

1.2 C-V特性

鑒于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil,，11×11mil (280×280um),，12×12mil (300×300um)，故pn 結(jié)面積大小不一,，使其結(jié)電容（零偏壓）C≈n+pf左右,。C-V 特性呈二次函數(shù)關(guān)系（如圖2）。由1MHZ 交流信號用C-V 特性測試儀測得,。

1.3 最大允許功耗PFm

當(dāng)流過LED的電流為IF,、管壓降為UF 則功率消耗為P=UF×IF. LED工作時，外加偏壓,、偏流一定促使載流子復(fù)合發(fā)出光,，還有一部分變?yōu)闊幔菇Y(jié)溫升高,。若結(jié)溫為Tj,、外部環(huán)境溫度為Ta，則當(dāng)Tj＞Ta 時,，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱,，散逸熱量（功率），可表示為P = KT（Tj – Ta）,。

1.4 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?，F(xiàn)有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-3~10-5S，CRT,、PDP,、LED 都達(dá)到10-6~10-7S（us 級）。

1.響應(yīng)時間從使用角度來看,，就是LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時間,，即圖3中tr 、tf ,。圖中t0 值很小,，可忽略。
② 響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命,、器件的結(jié)電容及電路阻抗,。LED 的點(diǎn)亮?xí)r間——上升時間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時間,。LED 熄滅時間——下降時間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間,。

不同材料制得的[url=]LED[/url] 響應(yīng)時間各不相同,；如GaAs、GaAsP,、GaAlAs 其響應(yīng)時間＜10-9S,，GaP 為10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ 高頻系統(tǒng),。
2 LED光學(xué)特性

發(fā)光二極管有紅外（非可見）與可見光兩個系列,，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來量度其光學(xué)特性,。

2.1 發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布Iθ

2.1.1 發(fā)光強(qiáng)度（法向光強(qiáng)）是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要性能,。LED 大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝,，由于凸透鏡的作用,，故都具有很強(qiáng)指向性：位于法向方向光強(qiáng)最大,，其與水平面交角為90°,。當(dāng)偏離正法向不同θ角度，光強(qiáng)也隨之變化,。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向,。

2.1.2 發(fā)光強(qiáng)度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強(qiáng)分布。它主要取決于封裝的工藝（包括支架,、模粒頭,、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否）

⑴ 為獲得高指向性的角分布（如圖4）

① LED 管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些；
② 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭,；
③ 封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑,。
采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性,。
⑵ 當(dāng)前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2 角)圓形LED：5°,、10°、30°,、45°,。
2.2 發(fā)光峰值波長及其光譜分布

⑴ LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線,。當(dāng)此曲線確定之后,，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定,。

LED 的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類,、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān),，而與器件的幾何形狀,、封裝方式無關(guān),。

下圖繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED 光譜響應(yīng)曲線。其中
 

① 是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN 發(fā)光[url=]二極管[/url],，發(fā)光譜峰λp = 460～465nm,；
② 是綠色GaP:N 的LED，發(fā)光譜峰λp = 550nm,；
③ 是紅色GaP:Zn-O 的LED,，發(fā)光譜峰λp = 680～700nm；
④ 是紅外LED 使用GaAs 材料,，發(fā)光譜峰λp = 910nm,；
⑤ 是Si 光電二極管，通常作光電接收用,。

由圖可見,，無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大）,，與之相對應(yīng)有一個波長,，此波長叫峰值波長，用λp表示,。只有單色光才有λp波長,。

⑵ 譜線寬度：在LED 譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強(qiáng)等于峰值（最大光強(qiáng)度）一半的點(diǎn),，此兩點(diǎn)分別對應(yīng)λp-△λ,，λp+△λ 之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度,。半高寬度反映譜線寬窄,，即LED 單色性的參數(shù)，LED 半寬小于40 nm,。

⑶ 主波長：有的LED 發(fā)光不單是單一色,，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值,，并非單色光,。為此描述LED 色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的,，由LED 發(fā)出主要單色光的波長,。單色性越好，則λp也就是主波長,。如GaP 材料可發(fā)出多個峰值波長,，而主波長只有一個，它會隨著LED 長期工作,，結(jié)溫升高而主波長偏向長波,。

2.3 光通量

光通量F是表征LED 總光輸出的輻射能量,，它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。F為LED 向各個方向發(fā)光的能量之和,，它與工作電流直接有關(guān),。隨著電流增加，LED 光通量隨之增大,?？梢姽釲ED 的光通量單位為流明（lm）。

LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料,、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān),。目前單色LED 的光通量最大約1 lm，白光LED 的F≈1.5~1.8 lm（小芯片）,，對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED,，其F=18 lm。

2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度

① LED效率有內(nèi)部效率（pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）,。前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性,。[url=]LED光電[/url]最重要的特性是用輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比，即發(fā)光效率,。

② 視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量,。人的視覺靈敏度在λ = 555nm 處有一個最大值680 lm/w,，若視覺靈敏度記為Kλ,，則發(fā)光能量P 與可見光通量F 之間關(guān)系為P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ

③ 發(fā)光效率——量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn 結(jié)載流子數(shù)=（e/hcI）∫λPλdλ,。若輸入能量為W=UI,，則發(fā)光能量效率ηP=P/W 若光子能量hc=ev，則η≈ηP,，則總光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P,。

④ 流明效率：LED 的光通量F/外加耗電功率W=KηP 
它是評價具有外封裝LED 特性，LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大,，故也叫可見光發(fā)光效率,。

以下列出幾種常見LED 流明效率（可見光發(fā)光效率）：


 
品質(zhì)優(yōu)良的LED 要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多,，即外部效率要高,。事實(shí)上，LED 向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分,，總的發(fā)光效率應(yīng)為η=ηiηcηe,，式中ηi 向為p、n 結(jié)區(qū)少子注入效率,，ηc 為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率,，ηe 為外部出光（光取出效率）效率,。

由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時（無環(huán)氧封裝）若垂直入射,，被空氣反射,，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%,，鑒于晶體本身對光有相當(dāng)一部分的吸收,，于是大大降低了外部出光效率。為了進(jìn)一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施：

① 用折射率較高的透明材料（環(huán)氧樹脂n=1.55 并不理想）覆蓋在芯片表面,；

② 把芯片晶體表面加工成半球形,；

③ 用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點(diǎn)玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽,，可使紅外GaAs,、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4~6倍,。

2.5 發(fā)光亮度

亮度是LED 發(fā)光性能又一重要參數(shù),，具有很強(qiáng)方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A,，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量,，單位為cd/m2 或Nit。

若光源表面是理想漫反射面,，亮度BO 與方向無關(guān)為常數(shù),。晴朗的藍(lán)天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit（尼特），從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit,。

LED 亮度與外加電流密度有關(guān),，一般的LED，JO（電流密度）增加BO 也近似增大,。另外,，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高,，ηc（復(fù)合效率）下降,，BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變,，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高,，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài),。

2.6 壽命

老化：LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象,。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為Bt=BO e-t/τ,，Bt 為t 時間后的亮度,，BO 為初始亮度,。

通常把亮度降到Bt=1/2BO 所經(jīng)歷的時間t 稱為二極管的壽命。測定t 要花很長的時間,，通常以推算求得壽命,。

測量方法：給LED 通以一定恒流源，點(diǎn)燃103 ~104小時后,， 先后測得BO ,，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ,；再把Bt=1/2BO代入,，可求出壽命t。

長期以來總認(rèn)為LED 壽命為106小時,，這是指單個LED 在IF=20mA 下,。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù),。

如LED 的光衰減為原來35%,，壽命＞6000h。

3 熱學(xué)特性

LED的光學(xué)參數(shù)與pn 結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系,。一般工作在小電流IF＜10mA,，或者10~20 mA 長時間連續(xù)點(diǎn)亮LED 溫升不明顯。

若環(huán)境溫度較高,，LED 的主波長或λp 就會向長波長漂移,，BO 也會下降，尤其是點(diǎn)陣,、大顯示屏的溫升對LED 的可靠性,、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計散射通風(fēng)裝置,。

LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為：

由式可知,，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm,，且發(fā)光的均勻性,、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化,、密集排列以提高單位面積上的光強(qiáng),、光亮度的設(shè)計尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設(shè)備、確保LED 長期工作,。