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(qiáng)指向特性,、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。本文將為你詳細(xì)介紹,。

　　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)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻,。

圖1  LED  I-V特性曲線

　　如圖1：

　?。?） 正向死區(qū)：（圖oa 或oa′段）a點(diǎn)對(duì)于V0 為開啟電壓，當(dāng)V＜Va,，外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng),，此時(shí)R很大；開啟電壓對(duì)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,。

　?。?）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(shí),，V＞VF 的正向工作區(qū)IF 隨VF 指數(shù)上升：

IF = IS e qVF/KT

　?。?）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。 

　?。?）反向擊穿區(qū) V＜- VR ,，VR 稱為反向擊穿電壓；VR 電壓對(duì)應(yīng)IR 為反向漏電流,。當(dāng)反向偏壓一直增加使V＜- VR 時(shí),，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,。

　　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(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性,。本文將為你詳細(xì)介紹,。

　　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)：?jiǎn)蜗驅(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,。

圖1  LED  I-V特性曲線

　　如圖1：

　　（1） 正向死區(qū)：（圖oa 或oa′段）a點(diǎn)對(duì)于V0 為開啟電壓,，當(dāng)V＜Va,，外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng)，此時(shí)R很大,；開啟電壓對(duì)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(shí),，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(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,。 

　?。?）反向擊穿區(qū) V＜- VR ，VR 稱為反向擊穿電壓,；VR 電壓對(duì)應(yīng)IR 為反向漏電流,。當(dāng)反向偏壓一直增加使V＜- VR 時(shí)，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(hào)用C-V 特性測(cè)試儀測(cè)得。

圖2  LED C-V特性曲線

　　1.3 最大允許功耗PFm

　　當(dāng)流過(guò)LED的電流為IF,、管壓降為UF 則功率消耗為P=UF×IF. LED工作時(shí),，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(shí)，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(shí)間

　　響應(yīng)時(shí)間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢。現(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(jí)）,。

　　1.響應(yīng)時(shí)間從使用角度來(lái)看,，就是LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間，即圖3中tr ,、tf ,。圖中t0 值很小，可忽略,。

圖3

　?、?響應(yīng)時(shí)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(diǎn)亮?xí)r間——上升時(shí)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(shí)間。LED 熄滅時(shí)間——下降時(shí)間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來(lái)的10%所經(jīng)歷的時(shí)間,。

　　不同材料制得的LED 響應(yīng)時(shí)間各不相同,；如GaAs、GaAsP,、GaAlAs 其響應(yīng)時(shí)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(gè)系列，前者可用輻射度,，后者可用光度學(xué)來(lái)量度其光學(xué)特性,。

　　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(qiáng)指向性：位于法向方向光強(qiáng)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(qiáng)也隨之變化,。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向,。

　　2.1.2 發(fā)光強(qiáng)度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)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）

　?、?為獲得高指向性的角分布（如圖4）

圖4

　　① LED 管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些,；

　?、?使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭；

　?、?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,。

　?、?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(zhǎng)及其光譜分布

　?、?LED 發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)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(zhǎng),、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(wú)關(guān),。

 圖5  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 光敏二極管    6.標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈

　　圖5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

　?、?是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN 發(fā)光二極管,，發(fā)光譜峰λp = 460～465nm；

　?、?是綠色GaP:N 的LED,，發(fā)光譜峰λp = 550nm；

　?、?是紅色GaP:Zn-O 的LED,，發(fā)光譜峰λp = 680～700nm,；

　?、?是紅外LED 使用GaAs 材料，發(fā)光譜峰λp = 910nm,；

　?、?是Si 光電二極管,，通常作光電接收用。

　　由圖5可見,，無(wú)論什么材料制成的LED,，都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大），與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng),，此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng),，用λp表示。只有單色光才有λp波長(zhǎng),。

　?、?譜線寬度：在LED 譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值（最大光強(qiáng)度）一半的點(diǎn),，此兩點(diǎn)分別對(duì)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,。

　?、?主波長(zhǎng)：有的LED 發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長(zhǎng),；甚至有多個(gè)峰值,，并非單色光。為此描述LED 色度特性而引入主波長(zhǎng),。主波長(zhǎng)就是人眼所能觀察到的,，由LED 發(fā)出主要單色光的波長(zhǎng)。單色性越好,，則λp也就是主波長(zhǎng),。如GaP 材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)只有一個(gè),，它會(huì)隨著LED 長(zhǎng)期工作,，結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)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L(zhǎng)ED 向各個(gè)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?？梢姽釲ED 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(duì)于1mm×1mm的功率級(jí)芯片制成白光LED，其F=18 lm,。

　　2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度

　?、?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(lái)分析和評(píng)價(jià)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。

　?、?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(gè)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(píng)價(jià)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）：

　　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(shí)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?yàn)閜,、n 結(jié)區(qū)少子注入效率,，ηc 為在勢(shì)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(shí)（無(wú)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(duì)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,；

　?、?把芯片晶體表面加工成半球形；

　?、?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(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 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(qiáng)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(wú)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(yáng)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(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)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(shí)間后的亮度，BO 為初始亮度,。

　　通常把亮度降到Bt=1/2B0 所經(jīng)歷的時(shí)間t 稱為二極管的壽命,。測(cè)定t 要花很長(zhǎng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命,。
  
　　測(cè)量方法：給LED 通以一定恒流源,，點(diǎn)燃103 ~104小時(shí)后， 先后測(cè)得B0 ,，Bt=1000~10000,，代入Bt=B0 e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2B0代入,，可求出壽命t,。

　　長(zhǎng)期以來(lái)總認(rèn)為L(zhǎng)ED 壽命為106小時(shí)，這是指單個(gè)LED 在IF=20mA 下,。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用,，國(guó)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(lái)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED 溫升不明顯。

　　若環(huán)境溫度較高,，LED 的主波長(zhǎng)或λp 就會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移,，BO 也會(huì)下降，尤其是點(diǎn)陣,、大顯示屏的溫升對(duì)LED 的可靠性,、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。

　　LED的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系可表示為：

　　由式可知,，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃,，則波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性,、一致性變差,。這對(duì)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(qiáng),、光亮度的設(shè)計(jì)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(zhǎng)期工作。