GaN基LED发光原理及参数要点

1、2.1 gan基led发光原理大部分led是利用mocvd在衬底材料上异质外延而成，目前比较成熟的 衬底材料是蓝宝石和碳化硅，硅基和 zno基等其他衬底材料尚未成熟。led外 延片的结构主要包括 mis结、p-n结、双异质结和量子阱几种，当前绝大多数 led均是量子阱结构的。外延片的基本结构 如图1-2所示。目前使用的大部分灯具是白炽鸨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极管(led)的发光原理则迥然不同。发光二极管自发性(spontaneous)勺发光是由于电子与空穴的复合而产生的。假设发光是在p区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光， 或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

2、除了这种发光复合外，还有些电 子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获，而后再与空穴复合， 每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比 例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近 pn结面数11 m以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长 入与发光区域的半导体材料禁带宽度eg有关，即入=1240/eg电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度eg，单位为电子伏特(ev。由光的量子性可知，hf= eg h为普朗克常量力为频率，据 f=c/入，可得入=hc/eg,当人的单位用um, eg单位用电子伏特(ev)时，上式为入

3、 =1.24um - ev/eg ,若若能产生可见光(波长在 380nm紫光780nm红光)，半 导体材料的eg应在3.261.63ev之间发光效率与材料是否为直接带隙(direct bandgap)有关，图1.1(a)是直接带隙 材料。这些材料的导带最低点与价带的最高点在同一k 空间。所以电子与空穴可以有效地再复合(recombination)而发光。而 图1.1(b)的材料均属于间接带隙 (indirectbandgap),其带隙及导带最低点与价带最高点不在同一k空间，以致电子与空穴复合时除了发光外，还需要产生声子(phonon)的配合，所以发光效率低 7 。目前发光二极管用的都是直接带隙

4、的材料。2.2 大功率 led 基本参数及性能指标1 极限参数的意义(1)允许功耗pm:允许加于led两端正向直流电压与流过它的电流之积的 最大值。超过此值， led 发热、损坏。( 2 )最大正向直流电流ifm ：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。(3)最大反向电压vrm ：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。(4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此 温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2电参数的意义( 1 )光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示520 540 56

5、0 s80 61h） 620 波代mmin）由图可见，该发光管所发之光中某一波长入0的光强最大，该波长为峰值波长。（2）发光强度iv:发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管 是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683） w/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般led的发光二强度小，所以发光强度 常用坎彳惠拉（mcd）作单位。（3）光谱半宽度a入：它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所 对应两波长之间隔.（4）半值角9 1/2和视角：9 1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的 2倍为视角（或称半功率角）j

6、u 20 iu l0 iu zu图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。法线 ao的坐 标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然，法线方向上的 相对发光强度为1,离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。(5)正向工作电流if:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实 际使用中应根据需要选择if在0.6 ifm以下。(6)正向工作电压vf:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下 得到的。 一般是在if=20ma时测得的。发光二极管正向工作电压 vf在1.4 3v。在外界温度升高时，vf将下降。(7) v-i特性：发光二极管的电

7、压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由v-i曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流ir10pa以下led的电学指标1、 led的电流-电压特性图图1所示为led工作的电流-电压（i-v ）特性图。发光二极管具有与一般半导体三极管 相似的输入伏安特性曲线。我们分别对图中所示的各段进行说明。1反向死区a图1 led工作的电流-电压特性图oa段：正向死区va为开启led发光的电压。红色（黄色）led的开启电压一般为 0.20.25v,绿色（蓝色）led的开启电压一般

8、为 0.30.35v 。ab段：工作区在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特别注意， 如果不加任何保护， 当正向电压增加到一定值后， 那么发光二极管的正向 电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。oc段：反向死区发光二极管加反向电压是不发光的 （不工作） ， 但有反向电流。 这个反向电流通常很小， 一般在几 a之内。在19901995年，反向电流定为 10 a, 19952000年为5科a;目前一 般是在3da以下，但基本上是 0a。cd段：反向击穿区发光二极管的反向电压一般不要超过10v,最大不得超过15v。

9、超过这个电压，就会出现反向击穿，导致 led报废。2、 led 的电学指标对于led器件，一般常用的电学指标有以下几项： 正向电压 vf： led正向电流在 20mam的正向电压。 正向电流if：对于小功率led,目前全世界一致定为 20ma这是小功率led的正常工 作电流。但目前出现了大功率led的芯片，所以if就要根据芯片的规格来确定正向工作电流。 反向漏电流ir：按led以前的常规规定，指反向电压在5v时的反向漏电流。如上面所说，随着发光二极管性能的提高，反向漏电流会越来越小，但大功率led芯片尚未明确规 工作时的耗散功率 pd：即正向电流乘以正向电压。3、 led 的极限参数对于led

10、器件，一般常用的极限参数有以下几项： 最大允许耗散功率 pma=i fhx vfh： 一般按环境温度为 25c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。 最大允许工作电流ifmc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i fm的60%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

11、测试反向电压vr,反向电流一般为5700da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。4、 led 的其他电学参数在高频电路中使用 led时，还要考虑以下两个因素：结电容c响应时间：上升时间 3,下降时间tf当led接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间， 否则led无法正常工作。led的光学指标人眼对自然界光的感知有两个方面：一是光的颜色，二是光的辐射强度。我们将从这两方面展开讨论，进而分析led的各种光学指标。1、 光的颜色的三种表示法 国际照明委员会色品图表示法 光的颜色鲜艳度 色温或相关色温下面将逐一对其进行介绍。

12、国际照明委员会色品图表示法国际照明委员会（cie）于1931年研究提出了 xyz色品图,1960年又在xyz色品图的基石提出了 ucsfe品图。颜色感觉是光辐射源或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测理和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有一些差异， 因此要求根据大量观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，即“标准色度观测者光谱三刺激值”， 以此来代表人眼的平均颜色视觉特性， 用于色度学的测量和计算。cie于1931年在rgb（统的基础上采用设想的三原色 x、y、z （

13、分别代表红色、绿色和蓝色），建立了 cie1931色品图，如图1所示。该图是 归一化图，只要标示x、y值，就可以知道z的值（z=1- （x+yo,因而三变量 的色品图就变成x、y二变量的平面图。图1cie1931色品图光的颜色鲜艳度光的颜色鲜艳度必须用光的主波长 入d和色纯度来表示。目 前，led芯片供应商都是用主波长 入d来表示鲜艳度，而不用峰值波长 入p来表示。 主波长入d：如图2所示为色品图，图中ab为黑体轨迹。设f点为某一光 源在色品图中的坐标，e点为理想等能量白光的参考光源点，在色品图标中为 （0.3 , 0.3）。由e点连接f点并延伸交于g点，则g点对应的单色波长即称为f 点光源的

14、主波长入d。 峰值波长 入p：光谱发光强度或辐射功率最大处的对应的波长。它是一种 纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的单色光的检测。 中心波长：光谱发光强度或辐射功率出现主峰和次峰时，主峰半宽度的中 心点所对应的波长。一般应用于配光曲线法向方向附近凹进去的、质量不好的单色管的检测。 色纯度pe：如图2所示，pe=ef/eg如果某一光源在色品图中f点的坐标 越靠近g点，那么ef和eg的长度就越接近相等，pe越接近1,色纯度就越高。色纯度通俗地说是指出射光的色坐标靠近 cie1931色品图上光谱轨迹的程度，靠 得越近则纯度越高。所 以，若色坐标位于光谱轨道上，则色纯度为100%反之, 等能的白光

15、纯度则为0%色纯度也是一种生理-心理物理量。 半宽度：光谱发光强度或辐射功率最大处的一半的宽度 （fwhm简称“带 宽”。带宽越小则颜色越纯，显然它也是纯粹的物理量。y00,3图2 主波长示意图色温或相关色温白光在照明领域的使用，一般用色温或相关色温表示（有 时也用色坐标表示）。光源的颜色有两方面的意思，即色表和显色性。色表就是 人眼直接观察光源时所看到的颜色感觉；光源的光照射到物体上所产生的客观 效果，即光源使被照有色物体的颜色再次显现出来的能力，称为光源的显色性。光源发光的颜色可用色温 tc表示。当光源所发射的光的颜 色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的这个温度就称为光源的颜色温

16、度，简称色温。光谱的能量分布和黑体在某一温度下辐射的相对光谱能量 分布相似时，其颜色必定相同。因此分布温度一定是色温，如白炽灯、卤鸨灯发 出光的颜色可用色温表示；但对于气体放电光源，具光谱能量分布很少与黑体的相似，所以这些光源的分布温度仅能称为相关色温。如黑体鸨丝在2000。f （华 氏度1 f= 0.555556k）以上时辐射出的颜色与蜡烛点亮时发射光的颜色相同， 那么鸨丝2000 f以上的温度就称为蜡烛光的色温。某一光源的相关色温的求法是：在 cie1960ucs&品图中, 代表该光源颜色的坐标点向黑体白轨做垂线，与白轨相交点的黑体的色温即为该 光源的相关色温。一般情况下，人们把高色温称为

17、冷色调，把低色温叫做暖 色调。2、 与光辐射强度有关的指标相对视敏函数v （入）曲线对于有不同入p的光线，即使光功率一样，人眼感到的光强 度仍是不一样。人眼对于 入p=555nm的绿光的灵敏度最高，对该值两边波长的灵 敏度越来越低。当 入p780nm时，即使光源的光能量辐射再强，人 眼也对它没有任何光的感觉。例如在图 3的相对视敏函数曲线中，对于 850nm 880nm 940nm&的线外线，人眼根本看不到。图3相对视敏函数曲线国际照明委员会研究推荐了 v （入）曲线。当入p=555nm时，v （入）为最大值1.0;而当 入p=460nm时，v （入）=0.06;当 入p=660nm时，v （

18、入）=0.0608。光通量小光通量是按人眼的光感觉来度量光的辐射功率，即辐射光 功率能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。表征的符号为 小，国际通用的光通量单位为流明（lm）假设单色光的波长为xi,则该波长的光通量f （入i）就等于它的辐射功率p （入0与相对视敏函数v（ xi）的乘积，可参见式（1）:f（入。=p（入。xv （xi）（1）如果光源的辐射功率波谱为 px（入），则总的光通量f （入）应为各个波长分量光通量的总和，即式（2):p （入）为给定波长的光辐射功率，单位是（2）ww v （入）为给定波长的相对视敏函数。最大流明效率（为683lm/w （当入p=555nm时）流明效

19、率人眼受能见度限制，因此对于不同的入p,光有不同的最高流明效率： 入p=555nm时：最大流明效率（km）为683lm/w; 入 p=470nm时:v （入）=0.0913 ,最大流明效率为 683x 0.0913=62.40lm/w; 入 p=460nm 时：v （入）=0.06,最大流明效率为 683x 0.06=41.00lm/w ; 入 p=450nm 时:v （入）=0.038,最大流明效率为 683x 0.038=26.01lm/w; 入 p=660nm时：v （入）=0.0608,最大流明效率为 683x 0.0608=41.5lm/w; 入 p=650nm时:v （入）=0.1

20、07,最大流明效率为 683x 0.107=73.081lm/w; 入 p=620nm时:v （入）=0.381 ,最大流明效率为 683x 0.381=260.223lm/w;不同光源组成的白光，具最大流明效率因人眼能见度不同的原因而不同。中色温区的最大流明效率会比较高，而高色温区和低色温区的最大流明效率会比较低。所以对于不同的色温，其流明效率会不一样。提高白光led的光效，应考虑选用led射的光波长和yag荧光粉的光谱，当前 yag0t光粉有 x p =530nm、540nm 550nm 560nm 570nm 并且带宽也不一样。蓝光led激发黄色yag荧光粉形成白光时，虽然辐射出的蓝光能量有损失，但激发出黄光的最大流明比蓝光要高好几倍，所以人眼感觉的 流明效率提高了发光强度i光源在指定方向