1.LED 伏安特性

LED 是PN 结二极管的一种,其伏安特性曲线如图1.9所示,具有非线性、整流性质和单向导电性,即外加正偏压表现为低接触电阻,反之,表现为高接触电阻。

(1)正向死区(图中OA 或OA'段)：A 点对应的U0 为开启电压,当U＜U0,外加电场尚不能克服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,如GaAs 为1V,红色GaAsP 为1.2V,GaP 为1.8V,GaN为2.5V。

图1.9　伏安特性曲线

(2)正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系,即IF=IS(eqUF/KT-1)。其中,IS为反向饱和电流。当U＞0时,U＞UF的正向工作区IF随UF指数上升,其关系式为IF=ISeqUF/KT。

(3)反向死区：当U＜0时,PN 结加反偏压,外加反向电压不超过一定范围时,通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的反向电流。由于反向电流很小,二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流,二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向饱和电流比锗管小得多,小功率硅管的反向饱和电流在纳安数量级,小功率锗管的反向饱和电流在微安数量级。温度升高时,半导体受热激发,少数载流子数目增加,反向饱和电流也随之增加。

(4)反向击穿区：U＜-UR,UR称为反向击穿电压；UR电压对应的IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加,使U＜-UR时,则IR突然增加,二极管出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同,各种LED 的反向击穿电压UR也不同。

2.LED 时间响应

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有的几种显示器的显示时间为：LCD(液晶显示)约10-3～10-5s,CRT、PDP、LED都达到10-6～10-7s(μs级)。

图1.10　响应时间曲线

从使用角度来看,响应时间就是LED 点亮与熄灭所延迟的时间,即图1.10中的tr(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)、tf(正常发光减弱至原来的10%所经历的时间)。图中t0值很小,可忽略不计。响应时间主要取决于载流子的寿命、器件的结电容及电路阻抗。

不同材料制得的LED 响应时间各不相同,如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间小于10-9s,GaP为10-7s。因此,它们可用于10～100MHz高频系统。

3.LED 的发光亮度与电流的关系

由于LED 所激发的光子数与向它注入的电子数成正比,所以LED 的光辐射能是与流经它的电流成正比的。另一方面,它产生的热量也是与注入的电流成正比的。更糟的是,随着热量的增加,LED 的电光转换效率会随之变低。典型的LED 电光转换曲线如图1.11 所示,如果电流过大,造成的发热量太大,则该曲线的上部可能会向下弯曲。尽管如此,大多数情况下,只要发热不是太严重,可以近似地认为LED 的辐射通量与注入的电流成正比。

图1.11　LED 器件的电流-亮度曲线

4.LED 光学特性

发光二极管有红外(非可见)与可见光两个系列,前者可用辐射度来量度其光学特性,后者可用光度学来量度其光学特性。常用辐射度和光度量之间的对应关系详见表1.2。

表1.2　常用辐射度和光度量之间的对应关系

(1)法向光强及其角分布。

发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的重要物理量。LED 大量应用于圆柱、圆球封装,由于凸透镜的作用,故都具有很强的指向性,位于法向方向的光强最大,其与水平面的交角为90°。当偏离正法向不同θ 角度,光强也随之变化。发光强度随着封装形状的不同而不同,并且强度依赖角方向,如图1.12所示。发光强度的角分布是描述LED 在空间各个方向上的光强分布。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)。LED 发光的指向性可以用半角值表示,半角值是指光强等于峰值光强一半时所夹的角。要提高LED 的指向性,可采取如下措施：使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。半值角越小,指向性越强。LED 按其半值角大小,可分为以下几种。

·高指向性LED,一般为尖头环氧树脂封装,或带金属反射腔封装,不加散射剂,半角值为5°～20°或更小,用在局部照明或自动检测系统中,以便让光线对准所检测物体。

·标准型LED,半值角为20°～45°,用作指示灯。

·散射型LED,半值角为45°～90°或更大,添加的散射剂剂量较大。

图1.12　LED 光强在不同空间角度的分布图(0～1.0表示相对光强值)

(2)LED 的光谱特性。

发光光谱是指发光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着LED 的发光颜色并影响它的照明效率。发射光谱的形成由材料的种类性质以及发光中心的结构决定,而与器件的几何形状和封装方式无关。LED 发光强度或光功率输出随着波长的变化而变化,它们之间的关系可绘成一条分布曲线,即光谱分布曲线。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。

描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和光谱半宽度(简称半宽度)。LED 发出的光并不是单一波长,其波长分布如图1.13所示。

LED 波长分布的对称性取决于LED 所使用的材料种类及结构等因素。尽管不同LED 的光谱分布曲线位置和形状不同,但都有一个相对发光强度最大处。与相对发光强度峰值对应的波长称为峰值波长(用λp 表示)。事实上,只有单色光才有峰值波长。

发光强度降为原来的一半,所对应的谱线宽度叫光谱半宽度,也称半功率宽度,用Δλ 表示。半宽度反映谱线宽窄,即LED 单色性的参数,Δλ 越小,光谱单色性越好。LED 半宽度小于40nm。

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。图1.14绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得的LED 光谱响应曲线。

图1.13　LED 波长分布

图1.14　LED 光谱分布曲线

由图1.14可见,无论由什么材料制成的LED,都有一个相对光强最强处(光输出最大),与之相对应有一个峰值波长λp。

1是蓝色InGaN/GaN 发光二极管,发光谱峰λp=460～465nm；

2是绿色GaP：N 的LED,发光谱峰λp=550nm；

3是红色GaP：ZnO 的LED,发光谱峰λp=680～700nm；

4是红外LED(使用GaAs材料),发光谱峰λp=950nm；

5是Si光电二极管,通常做光电接收用。

6是红外LED 使用砷铝化镓GaAlAs,发光谱峰λp=950mm。

(3)光通量。

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。光通量是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 的光通量的国际单位为流明(lumen,符号lm)。

LED 向外辐射的功率,即光通量与芯片材料、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1 lm,白光LED 的光通量为1.5～1.8 lm(小芯片),对于用1mm×1mm 的功率级芯片制成的白光LED,其光通量为18 lm。

(4)发光效率、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)与发光效率(外量子效率)。内部效率用来分析和评价芯片的优劣。LED 光电特性最重要的发光效率是指辐射出的光能(发光量)与输入电能之比。为了提高LED 的发光效率,主要着眼于提高芯片的出光效率,可采用双反射(DR)和分布式布拉格反射(DBR)封装结构、倒装芯片技术和表面粗糙化纹理结构等。以采用表面粗糙化纹理结构为例,可以将InGaAlP LED 的外量子效率提高到普通InGaAlP LED 芯片的两倍。(www.daowen.com)

流明效率即是发射的光通量(以流明为单位)与激发时输入的电功率或被吸收的其他形式能量总功率之比。利用它可评价具有外封装的LED 特性。LED 的流明效率高是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。表1.3列出常见红光LED 的流明效率(可见光发光效率)。

表1.3　常见红光LED的流明效率

视觉灵敏度是使用照明与光度学中一重要参量。人眼感光的波长范围是380～760nm。人眼的明视觉灵敏度在λ=555nm 处,如图1.15中虚线所示。暗视觉灵敏度在λ=507nm 处。

图1.15　视觉灵敏曲线

(5)发光亮度B0。

亮度B0 是LED 发光性能又一重要参数,具有很强的方向性。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cd/m2或nit(尼特,1nit=1cd/m2),其正法线方向的亮度B0=I0/A。其中I0是发光强度,A 是单位面积。

若光源表面是理想漫反射面,亮度B0与方向无关,为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7 000Nit(尼特),从地面看太阳表面亮度约为1.4×109 Nit。

LED 亮度与外加电流密度J0 有关,一般的LED电流密度增加,B0也近似增大,如图1.16所示。另外,亮度还与环境温度有关,环境温度升高,复合效率下降,B0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。

(6)寿命。

随着LED 长时间地工作,其光强或光亮度逐渐衰减。器件老化程度与外加恒流源的大小有关,用公式可描述为

图1.16　LED 亮度与外加电流密度关系图

Bt=B0e-t/τ

式中,Bt为t时的亮度,B0为初始亮度。

通常把亮度降到所经历的时间t 称为二极管的寿命。测定t 要花很长的时间,通常可用推算方法求得寿命。测量方法为：给LED 通以一定恒流源,点燃103～104小时后,先后测得B0,Bt(Bt 范围为1 000～10 000cd/m2),代入Bt=B0e-t/τ,求出τ；再把代入,可求出寿命t。

5.LED 的热学特性

LED 的热学特性直接影响LED 的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此对功率型LED 芯片的封装设计、制造技术则显得尤为重要。用热阻来衡量LED 通过导热通道将热量从PN 结导出的能力。热阻越低,表示散热性能越好。如图1.17 所示,Rj-sp表示从PN结(j)到焊点(sp)的热阻,热阻低,表示PN结(j)到焊点(sp)的温差小,散热性能好。

图1.17　LED 结温示意图

一般来说,大部分LED 芯片能承受的最高结温为110℃～125℃。假如封装的热阻过大,则结温升高,会导致器件性能变差或损坏。同时,LED 结温升高,LED 相对光通量将下降。荧光粉在高温下转换效率下降,白光LED 光通量下降得更加厉害,如图1.18所示。

图1.18　LED 光通量和结温的关系曲线

结温Tj 影响LED 的使用寿命,由图1.19 可见,Tj 升高10℃,寿命缩短近一半。

图1.19　LED 相对光通量和寿命随结温的变化曲线

LED 的特性参数与PN 结结温有很大的关系。若环境温度较高,LED 的峰值波长λp 就会向长波方向漂移,亮度B0也会下降,尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响较大,应专门设计散射通风装置。

LED 的峰值波长随温度变化的关系可表示为

λp(T′)=λ0(T0)+ΔTg×0.1nm/℃

由上式可知,每当结温升高10℃,则峰值波长向长波方向漂移1nm,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,以确保LED 能长期工作。

根据普朗克定律,单位输入功率可以产生的辐射光通量高达683 lm/W。即使现在LED 光效达到160lm/W,也只有23%的电能被转换成光能,其余电能都将以发热的方式释放。因此,对LED 照明产品来说,散热技术显得至关重要。若热量集中在尺寸很小的芯片内,芯片温度升高,引起热应力的非均匀分布以及芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。当温度超过一定值时,器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明,元件温度每上升2℃,可靠性下降10%。当多个LED 密集排列组成白光照明系统时,热量的耗散问题更严重。解决热量耗散问题已成为高亮度LED 应用的先决条件。目前主要的散热技术有以下几种：

(1)铝散热鳍片。

这是最常见的散热方式,用铝散热鳍片作为外壳的一部分来增加散热面积。

(2)导热塑料壳。

在塑料外壳注塑时填充导热材料,增加塑料外壳导热、散热能力。

(3)表面辐射散热处理。

对灯壳表面做辐射散热处理,涂抹辐射散热漆,可以将热量以辐射方式带离灯壳表面。

(4)空气流体力学。

利用灯壳外形,制造出对流空气,这是成本最低的加强散热方式。

(5)风扇。

灯壳内部用风扇加强散热,其造价低,效果好。不过要换风扇比较麻烦,且这种LED 不适用于户外,比较少见。

(6)导热管。

利用导热管技术,将热量由LED 芯片导到外壳散热鳍片。大型灯具如路灯等常采用这种技术。

(7)液态球泡。

利用液态球泡封装技术,将导热率较高的透明液体填充到灯体球泡内。

(8)灯头。

家用型较小功率的LED 灯,往往将发热的驱动电路部分或全部置入灯头内部空间。这样可以利用像螺口灯头那样有较大金属表面的灯头散热,因为灯头是密接灯座金属电极和电源线的,所以一部分热量可由此导出散热。

(9)导热、散热一体化。

灯壳散热的目的是降低LED 芯片的工作温度,由于LED 芯片膨胀系数和我们常用的金属导热、散热材料膨胀系数差距很大,不能将LED 芯片直接焊接,以免高、低温热应力破坏LED 芯片。最新的高导热陶瓷材料,导热率接近铝,膨胀系数可调整到与LED 芯片同步。这样就可以将导热、散热一体化,减少热传导中间环节。