LED光學特性和熱學特性分析

　　LED是利用化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電學特性：I-V特性、C-V特性和光學特性：光譜回應特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。

　　LED光學特性

　　發(fā)光二極體有紅外（非可見）與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學來量度其光學特性。

　　發(fā)光法向光強及其角分布Iθ

　　發(fā)光強度（法向光強）是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。發(fā)光強度的角分佈Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。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）

　　發(fā)光峰值波長及其光譜分布

　　LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(shù)亦隨之而定。
　　
　　LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質(zhì)及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。

　　無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。

　　譜線寬度

　　在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應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

　　有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結溫升高而主波長偏向長波。

　　光通量

　　光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。F為LED向各個方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關。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、封裝工藝水準及外加恒流源大小有關。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），對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18 lm。

　　發(fā)光效率和視覺靈敏度

　　1 LED效率有內(nèi)部效率（pn結附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）。前者只是用來分析和評價芯片優(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。

　　2 視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在λ = 555nm處有一個最大值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之間關係為 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它是評價具有外封裝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。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)光效率應為η=ηiηcηe ，式中ηi向為p、n結區(qū)少子注入效率，ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復合效率，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。當芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣介面時（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%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

　　為了進一步提高外部出光效率ηe可採取以下措施：

　　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；

　　2 把芯片晶體表面加工成半球形；

　　3 用Eg大的化合物半導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。

　　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與方向無關為常數(shù)。晴朗的藍天和螢光燈的表面亮度約為7000Nit（尼特），從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。
LED亮度與外加電流密度有關，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，環(huán)境溫度升高，ηc（復合效率）下降，BO減小。當環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結結溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。

　　壽命

　　LED發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關，可描述為Bt=BO e-t/τ，Bt為t時間后的亮度，BO為初始亮度。

　　通常把亮度降到Bt=1/2BO所經(jīng)歷的時間t稱為二極體的壽命。測定t要花很長的時間，通常以推算求得壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103 ~104 小時后，先后測得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。

　　長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在IF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應用，國外學者認為以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35%，壽命＞6000 h。

　　熱學特性

　　LED的光學參數(shù)與pn結結溫有很大的關係。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20 mA長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或λp 就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點陣、大顯示幕的溫升對LED的穩(wěn)定性影響應專門設計散射通風裝置。

　　LED的主波長隨溫度關係可表示為λp（ T′）=λ0（T0+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每當結溫升高10 ℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對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、光亮度的設計尤其應注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設備、確保LED長期工作。