10.02-2 LED的光学特性及热学特性.doc

LED的光学特性及热学特性LED是运用化合物材料制成pn结的光电器件。它具有pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱答复特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 LED光学特性 发光二极体有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来丈量其光学特性。发光法向光强及其角分佈I发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要功用。LED许多运用央求是圆柱、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。当违反正法向异常角度，光强也随之改动。发光强度跟着异常封装形状而强度依托角方向。发光强度的角分佈I是描绘LED发光在空间各个方向上光强分佈。它首要取决于封装的工艺（包含支架、模粒头、环氧树脂中增加散射剂与否）发光峰值波长及其光谱分佈LED发光强度或光功率输出跟着波长改动而异常，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线判定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分佈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、封装方法无关。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p标明。只需单色光才有p波长。 谱线宽度在LED谱线的峰值两头处，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p-，p+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。主波长有的LED发光不单是单一色，即不只需一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描绘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宣告首要单色光的波长。单色性越好，则p也就是主波长。如GaP材料可宣告多个峰值波长，而主波长只需一个，它会跟着LED长时间使命，结温升高而主波长倾向长波。光通量光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它符号器件的功用好坏。F为LED向各个方向发光的能量之和，它与使命电流直接有关。跟着电流增加，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、封装工艺水准及外加恒流源大小有关。当时单色LED的光通量最大约1 lm，白光LED的F1.51.8 lm（小芯片），关于1mm1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。发光功率和视觉灵敏度 LED功率有内部功率（pn结附近由电能转化成光能的功率）与外部功率（辐射到外部的功率）。前者只是用来分析和评价芯片好坏的特性。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，即发光功率。 视觉灵敏度是运用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在 = 555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为K，则发光能量P与可见光通量F之间关係为 P=Pd ； F=KPd 发光功率量子功率=发射的光子数/pn结载流子数=（e/hcI）Pd若输入能量为W=UI，则发光能量功率P=P/W若光子能量hc=ev,则P ，则总光通F=（F/P）P=KPW 式中K= F/P 流明功率：LED的光通量F/外加耗电功率W=KP它是评价具有外封装LED特性，LED的流明功率高指在一样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光功率。质量优异的LED央求向外辐射的光能量大，向外宣告的光尽可能多，即外部功率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光功率应为=ice ，式中i向为p、n结区少子注入功率，c为在势垒区少子与多子复合功率，e为外部出光（光取出功率）功率。由于LED材料折射率很高i3.6。当芯片宣告光在晶体材料与空气介面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有恰当一部分的吸收，所以大大降低了外部出光功率。为了进一步前进外部出光功率e可採取以下方法： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不志向）掩盖在芯片表面； 把芯片晶体表面加工成半球形； 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人早年用n=2.42.6的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED功率前进46倍。发光亮度亮度是LED发光功用又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit。若光源表面是志向漫反射面，亮度BO与方向无关为常数。晴朗的蓝天和萤光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地上看太阳表面亮度约为14108Nit。LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，c（复合功率）下落，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以惹起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。寿数LED发光亮度跟着长时间使命而出现光强或光亮度衰减表象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描绘为Bt=BO e-t/，Bt为t时间后的亮度，BO为初始亮度。一般把亮度降到Bt=1/2BO所经歷的时间t称为二极体的寿数。测定t要花很长的时间，一般以核算求得寿数。丈量方法：给LED通以肯定恒流源，点着103 104 小时后，先后测得BO ，Bt=100010000，代入Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿数t。长时间以来总认为LED寿数为106小时，这是指单个LED在IF=20mA下。跟着功率型LED开发运用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿数的依据。如LED的光衰减为正本35%，寿数6000h。 热学特性 LED的光学参数与pn结结温有很大的关係。一般使命在小电流IF10mA，或许1020 mA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，BO也会下落，稀奇是点阵、大闪现幕的温升对LED的稳定性影照应专门描绘散射通风设备。 LED的主波长随温度关係可