光电参数培训教材

1、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、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 78

2、0nm 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：光色波长（nm）代表波长红（Red）780630700 橙（Orange）630600620黄（Yellow）600570580 绿（Green）570500550青（Cyan）500470500 蓝（Blue）470420470 紫（Violet）420380420 一、LED光学参数及特性 2、发光峰值波长及其光谱分布发光峰值波长及其光谱分布 2.1 LED 相对光谱能量分布相对光谱

3、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

4、特性1蓝光InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红光 GaP:Zn-O4 红外GaAs 5 Si光敏光电管 6 标准钨丝灯人眼感光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 = 460465nm； 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 = 680700nm； 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 2.2 LED 的峰值波长的峰值波长p和光谱半波宽和光谱半

5、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、发光效率和视觉灵敏

6、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 =ice ，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=KP 它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样

7、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、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

8、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

9、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

10、 V0 为开启电压，当 VVa，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。V0时，VVF的正向工作区 IF随VF指数上升（ IF = IS e qVF/KT ）。3.反向截止区： V0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-V

11、R 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：最大允许耗散功率最大允许耗散功率Pmax=IFHVFH：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=UFIF。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TjTa时，内部热量借助管座

12、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5100uA之间。反向击穿电压通常不能超过20V，在设

13、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10-310-5S，CRT、PDP、LED都达到10-610-7S（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

14、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10-7 S。因此它们可用在10100MHZ高频系统。4、响应时间、响应时间三、LED热学特性 1、工作温度、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IF10mA，或者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，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）+Tg0.1nm/。由式可知，每当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发

15、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、热阻Rth LED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