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LED培训教材 led光电参数 目录 led光学参数及特性led电学参数及特性led热学特性 一 LED光学参数及特性 LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件 它具备pn结结型器件的光学特性 电学特性以及热学特性 1 可见光谱光是一定波长范围内的一种电磁辐射 电磁辐射的波长范围很广 最短的如宇宙射线 其波长只有千兆分之几米 10 14 10 15m 最长的如交流电 其波长可达数千米 在电磁辐射范围内 只有波长为380nm到780nm的电磁辐射能够引起人的视觉 这段波长叫做可见光谱 如下图所示 一 LED光学参数及特性 电磁辐射波谱 一 LED光学参数及特性 人眼能起视觉反映的最长和最短波长780nm和380nm 它们分别处在光谱的红色端与紫色端 严格地说 只有那种能够被眼睛感觉到的 并产生视觉现象的辐射才是可见辐射或可见光 简称光 本文所指的光也就是这个定义上的光 表列出了各种颜色光线的波长 一 LED光学参数及特性 2 发光峰值波长及其光谱分布2 1LED相对光谱能量分布P 发光二极管的相对光谱能量分布P 表示在发光二极管的光辐射波长范围 各个波长的辐射能量分布情况 通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示 如图所示 表示各个不同颜色LED的相对光谱能量分布曲线 一般而言 LED发出的光辐射 往往由许多不同波长的光所组成 而且不同波长的光其中所占的比例也不同 LED辐射能量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 一 LED光学参数及特性 1蓝光InGaN GaN2绿光GaP N3红光GaP Zn O4红外GaAs5Si光敏光电管6标准钨丝灯 LED光谱分布曲线 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 是蓝色InGaN GaN发光二极管 发光谱峰 p 460 465nm 是绿色GaP N的LED 发光谱峰 p 550nm 是红色GaP Zn O的LED 发光谱峰 p 680 700nm 是红外LED使用GaAs材料 发光谱峰 p 910nm 是Si光电二极管 通常作光电接收用 一 LED光学参数及特性 2 2LED的峰值波长 p和光谱半波宽 LED相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长 p和光谱半波宽 这两个参数表示 无论什么材料制成的LED 都有一个相对光辐射最强处 与之相对应有一个波长 此波长为峰值波长 它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定 光谱半波宽 定义为相对光谱能量分布曲线上 两个半极大值强度处对应的波长差 如图所示 它标志着光谱纯度 同时也可以用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散度 LED的发光光谱的半宽度一般为30 100nm 光谱宽度窄意味着单色性好 发光颜色鲜明 清晰可见 光谱半波宽 一 LED光学参数及特性 3 发光效率和视觉灵敏度3 1发光效率 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 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 i c e 式中 i为向p n结区少子注入效率 c为在势垒区少子与多子复合效率 e为外部出光 光取出效率 效率 流明效率 LED的光通量 F 外加耗电功率 p K P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 一 LED光学参数及特性 3 2视觉灵敏度 国际照明委员会 CIE 为人眼对不同波长单色光的灵敏度作了总结 在明视觉条件 亮度为3cd m2以上 下 归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数V 它在555nm上有最大值 此时1W辐射通量等于683lm V 为暗视觉条件 亮度为0 001cd m2以下 下的光谱光视效率 一 LED光学参数及特性 4 相关光 色度学参数4 1光通量 v 光通量是表征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 4 2发光强度Iv 光源在单位立体角内发射的光通量 可表示为IV d d 式中d 是点光源在某一方向上所张的立体角元 单位为cd 4 3发光亮度 亮度具有很强方向性 发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量 单位为cd m2或Nit 4 4色温TC 光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时 称黑体的温度 TC 为光源的色温度 二 LED电学参数及特性 1 LED相关电性参数1 1正向电压VF 通过发光二极管的正向电流为确定值时 在两极间产生的电压降 1 2正向电流IF LED的正常工作电流 对于小功率LED 一般为20mA 1 3反向电压VR 被测发光二极管器件通过的反向电流为确定值时 在两极间所产生的电压降 1 4反向电流IR 加在发光二极管两端的反向电压为确定值时 流过发光二极管的电流 1 5工作时的耗散功率PD 即正向电流乘以正向电压 2 I V特性LED的I V特性表征LED芯片PN结制备性能主要参数 LED通常都具有如图所示的较好的伏安特性 LED的I V特性具有非线性 整流性质 单向电性 即外加正偏压表现低接触电阻 反之为高接触电阻 二 LED电学参数及特性 1 正向截止区 图oa或oa 段 a点对于V0为开启电压 当V Va 外加电场尚未克服不少因载流子扩散而形成势垒电场 此时电阻很大 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 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 ISeqVF KT 3 反向截止区 V 0时PN结加反偏压 V VR时 GaN反向漏电流IR V 5V 为10uA 4 反向击穿区V VR VR称为反向电压 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 LED的I V特性曲线 二 LED电学参数及特性 3 LED的极限参数对于LED器件 一般常用的极限参数有以下几项 最大允许耗散功率Pmax IFH VFH 一般按环境温度为25 时的额定功率 当环境温度升高 则LED的最大允许耗散功率将会下降 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 最大允许工作电流IFM 由最大允许耗散功率来确定 参考一般的技术手册中给出的工作电流范围 最好在使用时不要用到最大工作电流 要根据散热条件来确定 一般只用到最大电流IFM的60 为好 最大允许正向脉冲电流IFP 一般是由占空比与脉冲重复频率来确定 LED工作于脉冲状态时 可通过调节脉宽来实现亮度调节 例如LED显示屏就是利用这个手段来调节亮度的 反向击穿电压VR 一般要求反向电流为指定值的情况下可测试反向电压VR 反向电流一般为5 100uA之间 反向击穿电压通常不能超过20V 在设计电路时 一定要确定加到LED的反向电压不要超过20V 二 LED电学参数及特性 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 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 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 7S 因此它们可用在10 100MHZ高频系统 4 响应时间 三 LED热学特性 1 工作温度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 p就会向长波长漂移 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 p T 0 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 三 LED热学特性 2 热阻RthLED热学设计的目的在于预言LED芯片的结温 所谓结温是指LED芯片PN结的温度 当热量在物体内部以热传导的方式传递时 反映热传导体阻碍热流的能力的物理量称为热阻 对于热流经过的截面积不变的平板 导热热阻为L kA 其中L为平板的厚度 A为平板垂直于热流方向的截面积 k为平板材料的热导率 在LED点亮后达到热量传导稳态时 芯片表面每耗散1W的功率 芯片pn结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth 即是热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比 单位为 W 数值越低 表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快 这有利于降低芯片中的pn结的温度 从而延长LED的寿命 三 LED热学特性 LED的热阻的大小与以