LED元件事業(yè)部
LED芯片電學(xué)特性
- 發(fā)布時間： 2021-12-01
- 所屬分類： 行業(yè)知識
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LED是利用化合物材料制成pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學(xué)特性。
1、LED電學(xué)特性
1.1 I-V特性 表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦裕赐饧诱珘罕憩F(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。
如左圖：
(1) 正向死區(qū)：（圖oa或oa′段）a點對于V0 為開啟電壓，當(dāng)V＜Va，外加電場尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢壘電場，此時R很大；開啟電壓對于不同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(qū)：電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系
IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS 為反向飽和電流 。
V＞0時，V＞VF的正向工作區(qū)IF 隨VF指數(shù)上升 IF = IS e qVF/KT
（3）反向死區(qū) ：V＜0時pn結(jié)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(qū) V＜- VR ，VR 稱為反向擊穿電壓；VR 電壓對應(yīng)IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使V＜- VR時，則出現(xiàn)IR突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于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
鑒于LED的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容（零偏壓）C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系（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PF m
當(dāng)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復(fù)合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊?，使結(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta，則當(dāng)Tj＞Ta時，內(nèi)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 響應(yīng)時間
響應(yīng)時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?，F(xiàn)有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都達(dá)到10-6~10-7S（us級）。
① 響應(yīng)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 響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。
LED的點亮?xí)r間——上升時間tr是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。
LED 熄滅時間——下降時間tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。
不同材料制得的LED響應(yīng)時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時間＜10-9S，GaP為10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ高頻系統(tǒng)。
2 LED光學(xué)特性
發(fā)光二極管有紅外（非可見）與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來量度其光學(xué)特性。
2.1 發(fā)光法向光強及其角分布Iθ
2.1.1 發(fā)光強度（法向光強）是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當(dāng)偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。
2.1.2 發(fā)光強度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否）
⑴ 為獲得高指向性的角分布（如圖1）
① LED管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些；
② 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭；
③ 封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。
采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。
⑵ 當(dāng)前幾種常用封裝的散射角（2θ1/2角）圓形LED：5°、10°、30°、45°
2.2 發(fā)光峰值波長及其光譜分布
⑴ LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。
LED的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。
下圖繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED光譜響應(yīng)曲線。其中
LED 光譜分布曲線
1藍(lán)光InGaN/GaN 2 綠光 GaP:N 3 紅光 GaP:Zn-O
4 紅外GaAs 5 Si光敏光電管 6 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈
① 是藍(lán)色InGaN/GaN發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰λp = 460～465nm；
② 是綠色GaP:N的LED，發(fā)光譜峰λp = 550nm；
③ 是紅色GaP:Zn-O的LED，發(fā)光譜峰λp = 680～700nm；
④ 是紅外LED使用GaAs材料，發(fā)光譜峰λp = 910nm；
⑤ 是Si光電二極管，通常作光電接收用。
由圖可見，無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。
⑵ 譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應(yīng)λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。
半高寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數(shù)，LED半寬小于40 nm。
⑶ 主波長：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。
如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。
2.3 光通量
光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。F為LED向各個方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽?/span>LED的光通量單位為流明（lm）。
LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色LED的光通量最大約1 lm，白光LED的F≈1.5~1.8 lm（小芯片），對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18 lm。
2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度
① LED效率有內(nèi)部效率（pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）。前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性。
LED光電最重要的特性是用輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比，即發(fā)光效率。
② 視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量。人的視覺靈敏度在λ = 555nm處有一個最大值680 lm/w。若視覺靈敏度記為Kλ，則發(fā)光能量P與可見光通量F之間關(guān)系為 P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ
③ 發(fā)光效率——量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=（e/hcI）∫λPλdλ
若輸入能量為W=UI，則發(fā)光能量效率ηP=P/W
若光子能量hc=ev,則η≈ηP ，則總光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P
④ 流明效率：LED的光通量F/外加耗電功率W=KηP
它是評價具有外封裝LED特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。
以下列出幾種常見LED流明效率（可見光發(fā)光效率）：
LED發(fā)光顏色 λp（nm） 材料 可見光發(fā)光效率（lm/w） 外量子效率
最高值 平均值
紅光 660-620 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP
橙光 615-600 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP
黃光 595-590 GaP:N-N 0.45 0.1
綠光 555-500 GaP:N 4.2 0.7 0.015~0.15
藍(lán)光 485-410 GaN 10
紫光 400-280 GaN 10
白光 譜帶 GaN+YAG 小芯片1.6，大芯片18
品質(zhì)優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高。事實上，LED向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應(yīng)為
η=ηiηcηe ，式中ηi向為p、n結(jié)區(qū)少子注入效率，ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，ηe為外部出光（光取出效率）效率。
由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時（無環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。
為了進(jìn)一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：① 用折射率較高的透明材料（環(huán)氧樹脂n=1.55并不理想）覆蓋在芯片表面；② 把芯片晶體表面加工成半球形；
③ 用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。
2.5發(fā)光亮度
亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為cd/m2 或Nit。
若光源表面是理想漫反射面，亮度BO與方向無關(guān)為常數(shù)。晴朗的藍(lán)天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit（尼特），從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。
LED亮度與外加電流密度有關(guān)，一般的LED，JO（電流密度）增加BO也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，ηc（復(fù)合效率）下降，BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。
2.6壽命
老化：LED發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為Bt=BO e-t/τ，Bt為t時間后的亮度，BO為初始亮度。
通常把亮度降到Bt=1/2BO所經(jīng)歷的時間t稱為二極管的壽命。測定t要花很長的時間，通常以推算求得壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103 ~104 小時后，先后測得BO ，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。
長期以來總認(rèn)為LED壽命為106小時，這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來35%，壽命＞6000h。
3 熱學(xué)特性
LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20 mA長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或λp 就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計散射通風(fēng)裝置。
LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為λp（ T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃
由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設(shè)計尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設(shè)備、確保LED長期工作。
