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LED光电热学特性测试.doc

LED光电热学特性测试

hanhan 2012-07-25 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《LED光电热学特性测试doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含LED主要参数及电学、光学、热学特性    LED电子显示屏是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性:IV特性、CV特性符等。

LED主要参数及电学、光学、热学特性    LED电子显示屏是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性:IV特性、CV特性和光学特性:光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。   、LED电学特性   IV特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的IV特性具有非线性、整流性质:单向导电性即外加正偏压表现低接触电阻反之为高接触电阻。   如左图:   ()正向死区:(图oa或oa′段)a点对于V为开启电压当V<Va外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场此时R很大开启电压对于不同LED其值不同GaAs为V红色GaAsP为VGaP为VGaN为V。   ()正向工作区:电流IF与外加电压呈指数关系   IF=IS(eqVFKT–)IS为反向饱和电流。   V>时V>VF的正向工作区IF随VF指数上升IF=ISeqVFKT   ()反向死区:V<时pn结加反偏压 V=VR时反向漏电流IR(V=V)时GaP为VGaN为uA。   ()反向击穿区V<VRVR称为反向击穿电压VR电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V<VR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。   CV特性   鉴于LED的芯片有mil(um)milmil(um)mil(um)故pn结面积大小不一使其结电容(零偏压)Cnpf左右。   CV特性呈二次函数关系(如图)。由MHZ交流信号用CV特性测试仪测得。   最大允许功耗PFm   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Tj>Ta时内部热量借助管座向外传热散逸热量(功率)可表示为P=KT(Tj–Ta)。   响应时间   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~SCRT、PDP、LED都达到~S(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t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开始一直到发光亮度达到正常值的所经历的时间。   LED熄灭时间下降时间tf是指正常发光减弱至原来的所经历的时间。   不同材料制得的LED响应时间各不相同如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间<SGaP为S。因此它们可用在~MHZ高频系统。LED光学特性   发光二极管有红外(非可见)与可见光两个系列前者可用辐射度后者可用光度学来量度其光学特性。   发光法向光强及其角分布Iθ   发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装由于凸透镜的作用故都具有很强指向性:位于法向方向光强最大其与水平面交角为。当偏离正法向不同θ角度光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。   发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)   为获得高指向性的角分布(如图)   LED管芯位置离模粒头远些   使用圆锥状(子弹头)的模粒头   封装的环氧树脂中勿加散射剂。   采取上述措施可使LEDθ=左右大大提高了指向性。   当前几种常用封装的散射角(θ角)圆形LED:、、、   发光峰值波长及其光谱分布   LED发光强度或光功率输出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。   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LED光谱分布曲线   蓝光InGaNGaN绿光GaP:N红光GaP:ZnO   红外GaAsSi光敏光电管标准钨丝灯   是蓝色InGaNGaN发光二极管发光谱峰λp=~nm   是绿色GaP:N的LED发光谱峰λp=nm   是红色GaP:ZnO的LED发光谱峰λp=~nm   是红外LED使用GaAs材料发光谱峰λp=nm   是Si光电二极管通常作光电接收用。   由图可见无论什么材料制成的LED都有一个相对光强度最强处(光输出最大)与之相对应有一个波长此波长叫峰值波长用λp表示。只有单色光才有λp波长。   谱线宽度:在LED谱线的峰值两侧λ处存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点此两点分别对应λpλλpλ之间宽度叫谱线宽度也称半功率宽度或半高宽度。   半高宽度反映谱线宽窄即LED单色性的参数LED半宽小于nm。   主波长:有的LED发光不单是单一色即不仅有一个峰值波长甚至有多个峰值并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的由LED发出主要单色光的波长。单色性越好则λp也就是主波长。   如GaP材料可发出多个峰值波长而主波长只有一个它会随着LED长期工作结温升高而主波长偏向长波。   光通量   光通量F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)。   LED向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约lm白光LED的F~lm(小芯片)对于mmmm的功率级芯片制成白光LED其F=lm。   发光效率和视觉灵敏度   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。   视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ=nm处有一个最大值lmw。若视觉灵敏度记为Kλ则发光能量P与可见光通量F之间关系为P=PλdλF=KλPλdλ   发光效率量子效率η=发射的光子数pn结载流子数=(ehcI)λPλdλ   若输入能量为W=UI则发光能量效率ηP=PW   若光子能量hc=ev,则ηηP则总光通F=(FP)P=KηPW式中K=FP   流明效率:LED的光通量F外加耗电功率W=KηP   它是评价具有外封装LED特性LED的流明效率高指在同样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。    以下列出几种常见LED流明效率(可见光发光效率):   LED发光颜色λp(nm)材料可见光发光效率(lmw)外量子效率   最高值平均值   红光GaP:ZnOGaAlAsGaAsP~   黄光GaP:NN   绿光GaP:N~   蓝光GaN   白光谱带GaNYAG小芯片大芯片    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    η=ηiηcηe式中ηi向为p、n结区少子注入效率ηc为在势垒区少子与多子复合效率ηe为外部出光(光取出效率)效率。    由于LED材料折射率很高ηi。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时(无环氧封装)若垂直入射被空气反射反射率为(n)(n)=反射出的占鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收于是大大降低了外部出光效率。    为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施:用折射率较高的透明材料(环氧树脂n=并不理想)覆盖在芯片表面把芯片晶体表面加工成半球形 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=~的低熔点玻璃成分AsS(Se)Br(I)且热塑性大的作封帽可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高~倍。   发光亮度    亮度是LED发光性能又一重要参数具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IOA指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量单位为cdm或Nit。    若光源表面是理想漫反射面亮度BO与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为Nit(尼特)从地面看太阳表面亮度约为Nit。    LED亮度与外加电流密度有关一般的LEDJO(电流密度)增加BO(亮度)也近似增大。另外亮度还与环境温度有关环境温度升高ηc(复合效率)下降BO减小。当环境温度不变电流增大足以引起pn结结温升高温升后亮度呈饱和状态。   寿命    老化:LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关可描述为Bt=BOetτBt为t时间后的亮度BO为初始亮度。     通常把亮度降到Bt=BO所经历的时间t称为二极管的寿命。测定t要花很长的时间通常以推算求得寿命。测量方法:给LED通以一定恒流源点燃~小时后先后测得BOBt=~代入Bt=BOetτ求出τ再把Bt=BO代入可求出寿命t。     长期以来总认为LED寿命为小时这是指单个LED在IF=mA下。随着功率型LED开发应用国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来寿命>h。  热学特性     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IF<mA或者~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λp就会向长波长漂移BO也会下降尤其是点阵、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λp(T′)=λ(T)Tgnm     由式可知每当结温升高则波长向长波漂移nm且发光的均匀性、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

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