发光二极体主要参数与特性(电学特性光学特性及热学特性).docVIP

發光二極體主要參數與特性 LED是利用化合物材料製成pn結構的光電器件。它具備pn 結構型器件的電學特性︰I-V特性、C-V特性和光學特性：光譜回應特性、發光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。 1.LED電學特性 1.1. I-V特性表徵 LED晶片pn結構製備性能主要參數。LED的I-V特性具有非線性、整流性質：單向導電性，即外加正偏壓表現低接觸電阻，反之為高接觸電阻。 如左圖： （1）正向死區：（圖oa或oa′段）a 點對於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；開啟電壓對於不同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：電流IF 與外加電壓呈指數關係-----------------IS 為反向飽和電流。V＞0 時，V＞VF 的正向工作區IF 隨VF 指數上升 （3）反向死區：V＜0時pn結構加反偏壓V= - VR 時，反向漏電流IR（V= -5V）時，GaP為0V，GaN為10uA。 （4）反向擊穿區 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IR突然增加而出現擊穿現象。由於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 鑒於 LED的晶片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil(300×300um)，故pn 結構面積大小不一，使其結電容（零偏壓）C ≈ n + pf 左右。 C-V特性呈二次函數關係（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複合發出光，還有一部分變為熱，使結溫升高。若結溫為Tj、外部環境溫度為Ta，則當Tj＞Ta時，內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. 回應時間 回應時間表征某一顯示器跟蹤外部資訊變化的快慢。現有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都達到10-6~10-7S（us級）。 ①回應時間從使用角度來看，就是LED點亮與熄滅所延遲的時間，即圖中tr、tf。圖中t0值很小，可忽略。 ②回應時間主要取決於載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。 LED的點亮時間——上升時間tr 是指接通電源使發光亮度達到正常的10%開始，一直到發光亮度達到正常值的90%所經歷的時間。 LED熄滅時間——下降時間tf是指正常發光減弱至原來的10%所經歷的時間。 不同材料制得的LED回應時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其回應時間＜10-9S，GaP 為10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ 高頻系統。 2. LED光學特性 發光二極體有紅外（非可見）與可見光兩個系列，前者可用輻射度，後者可用光度學來量度其光學特性。 2.1.發光法向光強及其角分佈Iθ 2.1.1.發光強度（法向光強）是表徵發光器件發光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由於凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位於法向方向光強最大，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。發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。 2.1.2.發光強度的角分佈Iθ是描述LED發光在空間各個方向上光強分佈。它主要取決於封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環氧樹脂中添加散射劑與否） ⑴ 為獲得高指向性的角分佈（如圖1） ①LED管芯位置離模粒頭遠些； ②使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭； ③封裝的環氧樹脂中勿加散射劑。 採取上述措施可使LED2θ1/2 = 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.發光峰值波長及其光譜分佈 ⑴LED發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分佈曲線——光譜分佈曲線。當此曲線確定之後，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。 LED的光譜分佈與製備所用化合物半導體種類、性質及pn 結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。 下圖繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED光譜回應曲線。其中 ①是藍色InGaN/GaN 發光二極體，發光譜峰λp = 460～465nm； ②是綠色GaP:N 的LED，發光譜峰λp = 550