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)型器件的電學特性：I-V特性、C-V特性和光學特性：光譜響應特性,、發(fā)光光強指向特性,、時間特性以及熱學特性。本文將為你詳細介紹,。

　　1,、LED電學特性

　　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娦裕赐饧诱珘罕憩F(xiàn)低接觸電阻,，反之為高接觸電阻,。

圖1  LED  I-V特性曲線

　　如圖1：

　　（1） 正向死區(qū)：（圖oa 或oa′段）a點對于V0 為開啟電壓,，當V＜Va,，外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場，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,。 

　?。?）反向擊穿區(qū) V＜- VR ，VR 稱為反向擊穿電壓,；VR 電壓對應IR 為反向漏電流,。當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。

　　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)型器件的電學特性：I-V特性,、C-V特性和光學特性：光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性,、時間特性以及熱學特性,。本文將為你詳細介紹。

　　1,、LED電學特性

　　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。

圖1  LED  I-V特性曲線

　　如圖1：

　?。?） 正向死區(qū)：（圖oa 或oa′段）a點對于V0 為開啟電壓,，當V＜Va，外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場,，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。

　?。?）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

　?。?）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IR 為反向漏電流。當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。

圖2  LED C-V特性曲線

　　1.3 最大允許功耗PFm

　　當流過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合發(fā)出光,，還有一部分變?yōu)闊?，使結(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj,、外部環(huán)境溫度為Ta,，則當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 響應時間

　　響應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 都達到10-6~10-7S（us 級）,。

　　1.響應時間從使用角度來看，就是LED點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,。

圖3

　　② 響應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 的點亮時間——上升時間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的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LED 響應時間各不相同；如GaAs,、GaAsP,、GaAlAs 其響應時間＜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,，后者可用光度學來量度其光學特性。

　　2.1 發(fā)光法向光強及其角分布Iθ

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

　　2.1.2 發(fā)光強度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布,。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）

　?、?為獲得高指向性的角分布（如圖4）

圖4

　?、?LED 管芯位置離模粒頭遠些,；

　　② 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭,；

　?、?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

　?、?LED 發(fā)光強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)色度學參數(shù)亦隨之而定,。

　　LED 的光譜分布與制備所用化合物半導體種類,、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)。

 圖5  LED光譜分布曲線

1.藍光InGaN/GaN  2.綠光GaP：N    3.紅光GaP：Zn-O

4.紅外GaAs        5.Si 光敏二極管    6.標準鎢絲燈

　　圖5繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED 光譜響應曲線,。其中

　?、?是藍色InGaN/GaN 發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰λp = 460～465nm,；

　?、?是綠色GaP:N 的LED,，發(fā)光譜峰λp = 550nm；

　?、?是紅色GaP:Zn-O 的LED,，發(fā)光譜峰λp = 680～700nm,；

　?、?是紅外LED 使用GaAs 材料,，發(fā)光譜峰λp = 910nm；

　?、?是Si 光電二極管,，通常作光電接收用。

　　由圖5可見,，無論什么材料制成的LED,，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大）,，與之相對應有一個波長,，此波長叫峰值波長,，用λp表示。只有單色光才有λp波長,。

　?、?譜線寬度：在LED 譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點,，此兩點分別對應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,。

　?、?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

　?、?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,。LED光電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。

　?、?視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量,。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一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率,。為了進一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施：

　?、?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；

　?、?把芯片晶體表面加工成半球形,；

　　③ 用Eg大的化合物半導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（復合效率）下降,，BO減小,。當環(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=1/2B0 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,，點燃103 ~104小時后， 先后測得B0 ,，Bt=1000~10000,，代入Bt=B0 e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2B0代入,，可求出壽命t,。

　　長期以來總認為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)應用,，國外學者認為以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、熱學特性

　　LED的光學參數(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，尤其是點陣,、大顯示屏的溫升對LED 的可靠性,、穩(wěn)定性影響應專門設(shè)計散射通風裝置。

　　LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為：

　　由式可知,，每當結(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,、光亮度的設(shè)計尤其應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。