LED知識(shí)
LED照明燈具參數(shù)
14-01-22
LED是操縱化合物材料制成pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)本性：I-V本性、C-V本性和光學(xué)本性：光譜響應(yīng)本性、發(fā)光光強(qiáng)指向本性、時(shí)間本性以及熱學(xué)本性。
1、LED電學(xué)本性
1.1I-V本性表征LED芯片pn結(jié)制備遵從首要參數(shù)。LED的I-V本性具有非線性、整流本質(zhì)：單導(dǎo)游電性，即外加正偏壓表示低交兵電阻，反之為高交兵電阻。
(1)正向死區(qū)：(圖oa或oa′段)a點(diǎn)對付V0為關(guān)閉電壓，當(dāng)V
(2)正向任務(wù)區(qū)：電流IF和外加電壓呈指數(shù)干連
IF=IS(eqVF/KT–1)-------------------------IS為反向飽和電流。
V>0時(shí)，V>VF的正向任務(wù)區(qū)IF隨VF指數(shù)上升IF=ISeqVF/KT
(3)反向死區(qū)：V<0時(shí)pn結(jié)加反偏壓
V=-VR時(shí)，反向漏電流IR(V=-5V)時(shí)，GaP為0V，GaN為10uA。
(4)反向擊穿區(qū)V<-VR，VR喻為反向擊穿電壓;VR電壓對應(yīng)IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓不停增進(jìn)使V<-VR時(shí)，則泛起IR俄然增進(jìn)而泛起擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種別差距，各種LED的反向擊穿電壓VR也差距。
1.2C-V本性
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)面積大小紛歧，使其結(jié)電容(零偏壓)C≈n+pf支配。
C-V本性呈二次函數(shù)干連(如圖2)。由1MHZ交流信號(hào)用C-V本性測試儀測得。
1.3最大允許功耗PFm
當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率損耗為P=UF×IF
LED任務(wù)時(shí)，外加偏壓、偏流未必促使載流子復(fù)合分發(fā)光，還有一一部分變?yōu)闊幔菇Y(jié)溫上漲。若結(jié)溫為Tj、外部狀況溫度為Ta，則當(dāng)Tj>Ta時(shí)，內(nèi)情熱量借助管座向外傳熱，閑逸熱量(功率)，可表示為P=KT(Tj–Ta)。
1.4響合時(shí)間
響合時(shí)間表征某一表示器跟蹤外部動(dòng)態(tài)變卦的快慢?，F(xiàn)有幾種表示LCD(液晶表示)約10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都達(dá)到10-6~10-7S(us級)。
?、夙懞蠒r(shí)間從使用角度來看，就是LED點(diǎn)亮和燃燒所拖延的時(shí)間，即圖中tr、tf。圖中t0值很小，可忽略。
?、陧懞蠒r(shí)間首要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。
LED的點(diǎn)亮?xí)r間——上升時(shí)間tr是指接通電源使發(fā)亮光度達(dá)到畸形的10%開始，不停到發(fā)亮光度達(dá)到畸形值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。
LED燃燒時(shí)間——降落時(shí)間tf是匡畸形發(fā)光減弱至副本的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。
差距材料制得的LED響合時(shí)間各不同樣;如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響合時(shí)間<10-9S，GaP為10-7S。是以它們可用在10~100MHZ高頻體系。
2、LED光學(xué)本性
發(fā)光二極管有紅外(非可見)和可見光兩個(gè)系列，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來量度其光學(xué)本性。
2.1發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布Iθ
2.1.1發(fā)光強(qiáng)度(法向光強(qiáng))是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的緊要遵從。LED大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于 凸透鏡的感化，故都具有很強(qiáng)指向性：位于法向方向光強(qiáng)最大，其和程度面交角為90°。當(dāng)偏離處死向差距θ角度，光強(qiáng)也隨之變卦。發(fā)光強(qiáng)度隨著差距封裝形態(tài) 而強(qiáng)度交付角方向。
2.1.2發(fā)光強(qiáng)度的角分布Iθ是刻畫LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。它首要取決于封裝的工藝(包含支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中增長散射劑和否)
?、艦楂@得高指向性的角分布(如圖1)
①LED管芯位子離模粒頭遠(yuǎn)些;
?、谑褂脠A錐狀(槍彈頭)的模粒頭;
③封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。
采用上述措施可使LED2θ1/2=6°支配，大大進(jìn)步了指向性。
?、飘?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
?、臠ED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸入隨著波長變卦而差距，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線必定往日，器件的無關(guān)主波長、純度等干系色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。
LED的光譜分布和制備所用化合物半導(dǎo)體種別、本質(zhì)及pn結(jié)布局(外延層厚度、攙和雜質(zhì))等無關(guān)，而和器件的許多多少形態(tài)、封裝方式無關(guān)。
LED光譜分布曲線
1藍(lán)光InGaN/GaN2綠光GaP:N3紅光GaP:Zn-O
4紅外GaAs5Si光敏光電管6規(guī)范鎢絲燈
?、偈撬{(lán)色I(xiàn)nGaN/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;
?、凼羌t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;
?、菔荢i光電二極管，一般作光電接收用。
不管甚么材料制成的LED，都有一個(gè)相對光強(qiáng)度最強(qiáng)處(光輸入最大)，和之相對應(yīng)有一個(gè)波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只需單色光才有λp波長。
⑵譜線寬度：在LED譜線的峰值雙側(cè)±△λ處，存在兩個(gè)光強(qiáng)就是峰值(最大光強(qiáng)度)一半的點(diǎn)，此兩點(diǎn)分袂對應(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40nm。
?、侵鞑ㄩL：有的LED發(fā)光不單是繁多色，即不單有一個(gè)峰值波長;乃至有多個(gè)峰值，并不是單色光。為此刻畫LED色度本性而引入主波長。主波長就是人眼所能察看到的，由LED分發(fā)首要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。
如GaP材料可分發(fā)多個(gè)峰值波長，而主波長只需一個(gè)，它會(huì)隨著LED長期任務(wù)，結(jié)溫上漲而主波長偏向長波。
2.3光通量
光通量F是表征LED總光輸入的輻射能量，它標(biāo)識(shí)表記標(biāo)幟器件的遵從優(yōu)劣。F為LED向各個(gè)方向發(fā)光的能量之和，它和任務(wù)電流直接無關(guān)。隨著電流增進(jìn)，LED光通量隨之增大?？梢姽釲ED的光通量單位為流明(lm)。
LED向外輻射的功率——光通量和芯片材料、封裝工藝程度及外加恒流源大小無關(guān)。當(dāng)前單色LED的光通量最或是大概1lm，白光LED的F≈1.5~1.8lm(小芯片)，對付1妹妹×1妹妹的功率級芯片制成白光LED，其F=18lm。
2.4發(fā)光死守和視覺靈便度
?、貺ED死守有內(nèi)情死守(pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的死守)和外部死守(輻射到外部的死守)。前者只是用來剖析和評價(jià)芯片優(yōu)劣的本性。
LED光電最緊要的本性是用輻射出光能量(發(fā)光量)和輸入電能之比，即發(fā)光死守。
?、谝曈X靈便度是使用照明和光度學(xué)中一些參量。人的視覺靈便度在λ=555nm處有一個(gè)最大值680lm/w。若視覺靈便度記為Kλ，則發(fā)光能量P和可見光通量F之間干連為P=∫Pλdλ;F=∫KλPλdλ
?、郯l(fā)光死守——量子死守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)光能量死守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
?、芰髅魉朗兀篖ED的光通量F/外加耗電功率W=KηP
它是評價(jià)具有外封裝LED本性，LED的流明死守高指在相同外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光死守。
如下列出幾種常見LED流明死守(可見光發(fā)光死守)：
LED發(fā)光顏色λp(nm)材料可見光發(fā)光死守(lm/w)外量子死守
最高值均勻值
紅光700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.51~30.30.2
黃光590GaP:N-N0.450.1
綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15
藍(lán)光465GaN10
白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18
風(fēng)致優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大，向外分發(fā)的光盡大概多，即外部死守要高。后果上，LED向外發(fā)光僅是內(nèi)情發(fā)光的一一部分，總的發(fā)光死守應(yīng)為
η=ηiηcηe，式中ηi向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入死守，ηc為在勢壘區(qū)少子和多子復(fù)合死守，ηe為外部出光(光掏出死守)死守。
由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片分發(fā)光在晶體材料和空氣界面時(shí)(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%，鑒于晶體本人對光有相稱一一部分的吸引，是以大大低落了外部出光死守。
為了進(jìn)一步進(jìn)步外部出光死守ηe可采用如下措施：①用折射率較高的無色材料(環(huán)氧樹脂n=1.55并不志向)籠蓋在芯片輪廓;②把芯片晶體輪廓加工成半球形;
?、塾肊g大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸引。有人已經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點(diǎn)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死守進(jìn)步4~6倍。
2.5發(fā)亮光度
亮度是LED發(fā)光遵從又一緊要參數(shù)，具有很強(qiáng)方向性。其處死線方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上發(fā)光體輪廓亮度就是發(fā)光體輪廓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。
若光源輪廓是志向漫反射面，亮度BO和方向無關(guān)為常數(shù)。清朗的藍(lán)天和熒光燈的輪廓亮度約為7000Nit(尼特)，從地面看太陽輪廓亮度約為14×108Nit。
LED亮度和外加電流密度無關(guān)，一般的LED，JO(電流密度)增進(jìn)BO也同樣增大。另外，亮度還和狀況溫度無關(guān)，狀況溫度上漲，ηc(復(fù)合死守)降落，BO減小。當(dāng)狀況溫度波動(dòng)，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫上漲，溫升后，亮度呈飽和形態(tài)。
2.6壽命
老化：LED發(fā)亮光度隨著耐久任務(wù)而泛起光強(qiáng)或亮光度衰減現(xiàn)象。器件老化程度和外加恒流源的大小無關(guān)，可刻畫為Bt=BOe-t/τ，Bt為t時(shí)間后的亮度，BO為初始亮度。
一般把亮度降到Bt=1/2BO所經(jīng)歷的時(shí)間t喻為二極管的壽命。測定t要花很長的時(shí)間，一般以推算求得壽命。 測量門徑：給LED通以未必恒流源，撲滅103~104小時(shí)后，先后測得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-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(shí)，這是指單個(gè)LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開拓應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的根據(jù)。如LED的光衰減為副本35%，壽命>6000h。
3、熱學(xué)本性
LED的光學(xué)參數(shù)和pn結(jié)結(jié)溫有很大的干連。一般任務(wù)在小電流IF<10mA，大概10~20mA耐久連氣兒點(diǎn) 亮LED溫升不顯著。若狀況溫度較高，LED的主波長或λp就會(huì)向長波長漂移，BO也會(huì)降落，十分是點(diǎn)陣、大表示屏的溫升對LED的可靠性、執(zhí)著性影響應(yīng) 特地打點(diǎn)散射通風(fēng)裝置。
LED的主波長隨溫度干連可表示為λp(T′)=λ0(T0)+△Tg×0.1nm/℃
由式可知，每當(dāng)結(jié)溫上漲10℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的平均性、差距性變差。這對付作為照明用的燈具光源要求小型化、密集分列以進(jìn)步單位面積上的光強(qiáng)、亮光度的打點(diǎn)十分應(yīng)留神用散熱好的燈具外殼或特地通用裝備、確保LED長期任務(wù)。
