LED知识

LED照明灯具参数
14-01-22
   LED是操纵化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学本性:I-V本性、C-V本性和光学本性:光谱响应本性、发光光强指向本性、时间本性以及热学本性。
  1、LED电学本性
  1.1I-V本性表征LED芯片pn结制备遵从首要参数。LED的I-V本性具有非线性、整流本质:单导游电性,即外加正偏压表示低交兵电阻,反之为高交兵电阻。
  (1)正向死区:(图oa或oa′段)a点对付V0为关闭电压,当V
  (2)正向任务区:电流IF和外加电压呈指数干连
  IF=IS(eqVF/KT–1)-------------------------IS为反向饱和电流。
  V>0时,V>VF的正向任务区IF随VF指数上升IF=ISeqVF/KT
  (3)反向死区:V<0时pn结加反偏压
  V=-VR时,反向漏电流IR(V=-5V)时,GaP为0V,GaN为10uA。
  (4)反向击穿区V<-VR,VR喻为反向击穿电压;VR电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压不停增进使V<-VR时,则泛起IR俄然增进而泛起击穿现象。由于所用化合物材料种别差距,各种LED的反向击穿电压VR也差距。
  1.2C-V本性
  鉴于LED的芯片有9×9mil(250×250um),10×10mil,11×11mil(280×280um),12×12mil(300×300um),故pn结面积大小纷歧,使其结电容(零偏压)C≈n+pf支配。
  C-V本性呈二次函数干连(如图2)。由1MHZ交流信号用C-V本性测试仪测得。
  1.3最大允许功耗PFm
  当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率损耗为P=UF×IF
  LED任务时,外加偏压、偏流未必促使载流子复合分发光,还有一一部分变为热,使结温上涨。若结温为Tj、外部状况温度为Ta,则当Tj>Ta时,内情热量借助管座向外传热,闲逸热量(功率),可表示为P=KT(Tj–Ta)。
  1.4响合时间
  响合时间表征某一表示器跟踪外部动态变卦的快慢。现有几种表示LCD(液晶表示)约10-3~10-5S,CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S(us级)。
  ①响合时间从使用角度来看,就是LED点亮和燃烧所拖延的时间,即图中tr、tf。图中t0值很小,可忽略。
  ②响合时间首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是指接通电源使发亮光度达到畸形的10%开始,不停到发亮光度达到畸形值的90%所经历的时间。
  LED燃烧时间——降落时间tf是匡畸形发光减弱至副本的10%所经历的时间。
  差距材料制得的LED响合时间各不同样;如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响合时间<10-9S,GaP为10-7S。是以它们可用在10~100MHZ高频体系。
  2、LED光学本性
  发光二极管有红外(非可见)和可见光两个系列,前者可用辐射度,后者可用光度学来量度其光学本性。
  2.1发光法向光强及其角分布Iθ
  2.1.1发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的紧要遵从。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装,由于 凸透镜的感化,故都具有很强指向性:位于法向方向光强最大,其和程度面交角为90°。当偏离处死向差距θ角度,光强也随之变卦。发光强度随着差距封装形态 而强度交付角方向。
  2.1.2发光强度的角分布Iθ是刻画LED发光在空间各个方向上光强分布。它首要取决于封装的工艺(包含支架、模粒头、环氧树脂中增长散射剂和否)
  ⑴为获得高指向性的角分布(如图1)
  ①LED管芯位子离模粒头远些;
  ②使用圆锥状(枪弹头)的模粒头;
  ③封装的环氧树脂中勿加散射剂。
  采用上述措施可使LED2θ1/2=6°支配,大大进步了指向性。
  ⑵当前几种常用封装的散射角(2θ1/2角)圆形LED:5°、10°、30°、45°
  2.2发光峰值波长及其光谱分布
  ⑴LED发光强度或光功率输入随着波长变卦而差距,绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线必定往日,器件的无关主波长、纯度等干系色度学参数亦随之而定。
  LED的光谱分布和制备所用化合物半导体种别、本质及pn结布局(外延层厚度、搀和杂质)等无关,而和器件的许多多少形态、封装方式无关。
  LED光谱分布曲线
  1蓝光InGaN/GaN2绿光GaP:N3红光GaP:Zn-O
  4红外GaAs5Si光敏光电管6规范钨丝灯
  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:Zn-O的LED,发光谱峰λp=680~700nm;
  ④是红外LED使用GaAs材料,发光谱峰λp=910nm;
  ⑤是Si光电二极管,一般作光电接收用。
  不管甚么材料制成的LED,都有一个相对光强度最强处(光输入最大),和之相对应有一个波长,此波长叫峰值波长,用λp表示。只需单色光才有λp波长。
  ⑵谱线宽度:在LED谱线的峰值双侧±△λ处,存在两个光强就是峰值(最大光强度)一半的点,此两点分袂对应λp-△λ,λp+△λ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40nm。
  ⑶主波长:有的LED发光不单是繁多色,即不单有一个峰值波长;乃至有多个峰值,并不是单色光。为此刻画LED色度本性而引入主波长。主波长就是人眼所能察看到的,由LED分发首要单色光的波长。单色性越好,则λp也就是主波长。
  如GaP材料可分发多个峰值波长,而主波长只需一个,它会随着LED长期任务,结温上涨而主波长偏向长波。
  2.3光通量
  光通量F是表征LED总光输入的辐射能量,它标识表记标帜器件的遵从优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和,它和任务电流直接无关。随着电流增进,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——光通量和芯片材料、封装工艺程度及外加恒流源大小无关。当前单色LED的光通量最或是大概1lm,白光LED的F≈1.5~1.8lm(小芯片),对付1妹妹×1妹妹的功率级芯片制成白光LED,其F=18lm。
  2.4发光死守和视觉灵便度
  ①LED死守有内情死守(pn结附近由电能转化成光能的死守)和外部死守(辐射到外部的死守)。前者只是用来剖析和评价芯片优劣的本性。
  LED光电最紧要的本性是用辐射出光能量(发光量)和输入电能之比,即发光死守。
  ②视觉灵便度是使用照明和光度学中一些参量。人的视觉灵便度在λ=555nm处有一个最大值680lm/w。若视觉灵便度记为Kλ,则发光能量P和可见光通量F之间干连为P=∫Pλdλ;F=∫KλPλdλ
  ③发光死守——量子死守η=发射的光子数/pn结载流子数=(e/hcI)∫λPλdλ
  若输入能量为W=UI,则发光能量死守ηP=P/W
  若光子能量hc=ev,则η≈ηP,则总光通F=(F/P)P=KηPW式中K=F/P
  ④流明死守:LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP
  它是评价具有外封装LED本性,LED的流明死守高指在相同外加电流下辐射可见光的能量较大,故也叫可见光发光死守。
  如下列出几种常见LED流明死守(可见光发光死守):
  LED发光颜色λp(nm)材料可见光发光死守(lm/w)外量子死守
  最高值均匀值
  红光700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.38120.50.51~30.30.2
  黄光590GaP:N-N0.450.1
  绿光555GaP:N4.20.70.015~0.15
  蓝光465GaN10
  白光谱带GaN+YAG小芯片1.6,大芯片18
  风致优良的LED要求向外辐射的光能量大,向外分发的光尽大概多,即外部死守要高。后果上,LED向外发光仅是内情发光的一一部分,总的发光死守应为
  η=ηiηcηe,式中ηi向为p、n结区少子注入死守,ηc为在势垒区少子和多子复合死守,ηe为外部出光(光掏出死守)死守。
  由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片分发光在晶体材料和空气界面时(无环氧封装)若垂直入射,被空气反射,反射率为(n1-1)2/(n1+1)2=0.32,反射出的占32%,鉴于晶体本人对光有相称一一部分的吸引,是以大大低落了外部出光死守。
  为了进一步进步外部出光死守ηe可采用如下措施:①用折射率较高的无色材料(环氧树脂n=1.55并不志向)笼盖在芯片轮廓;②把芯片晶体轮廓加工成半球形;
  ③用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸引。有人已经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且热塑性大的作封帽,可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED死守进步4~6倍。
  2.5发亮光度
  亮度是LED发光遵从又一紧要参数,具有很强方向性。其处死线方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上发光体轮廓亮度就是发光体轮廓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。
  若光源轮廓是志向漫反射面,亮度BO和方向无关为常数。清朗的蓝天和荧光灯的轮廓亮度约为7000Nit(尼特),从地面看太阳轮廓亮度约为14×108Nit。
  LED亮度和外加电流密度无关,一般的LED,JO(电流密度)增进BO也同样增大。另外,亮度还和状况温度无关,状况温度上涨,ηc(复合死守)降落,BO减小。当状况温度波动,电流增大足以引起pn结结温上涨,温升后,亮度呈饱和形态。
  2.6寿命
  老化:LED发亮光度随着耐久任务而泛起光强或亮光度衰减现象。器件老化程度和外加恒流源的大小无关,可刻画为Bt=BOe-t/τ,Bt为t时间后的亮度,BO为初始亮度。
  一般把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t喻为二极管的寿命。测定t要花很长的时间,一般以推算求得寿命。 测量门径:给LED通以未必恒流源,扑灭103~104小时后,先后测得BO,Bt=1000~10000,代入Bt=BOe-t/τ求出τ;再把 Bt=1/2BO代入,可求出寿命t。
  长期以来总认为LED寿命为106小时,这是指单个LED在IF=20mA下。随着功率型LED开拓应用,国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的根据。如LED的光衰减为副本35%,寿命>6000h。
  3、热学本性
  LED的光学参数和pn结结温有很大的干连。一般任务在小电流IF<10mA,大概10~20mA耐久连气儿点 亮LED温升不显着。若状况温度较高,LED的主波长或λp就会向长波长漂移,BO也会降落,十分是点阵、大表示屏的温升对LED的可靠性、执着性影响应 特地打点散射通风装置。
  LED的主波长随温度干连可表示为λp(T′)=λ0(T0)+△Tg×0.1nm/℃
由式可知,每当结温上涨10℃,则波长向长波漂移1nm,且发光的平均性、差距性变差。这对付作为照明用的灯具光源要求小型化、密集分列以进步单位面积上的光强、亮光度的打点十分应留神用散热好的灯具外壳或特地通用装备、确保LED长期任务。