GaN基LED发光原理及参数.docx

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GaN基LED发光原理及参数

2.1GaN基LED发光原理

大部分LED是利用MOCVD在衬底材料上异质外延而成，目前比较成熟的衬底材料是蓝宝石和碳化硅，硅基和ZnO基等其他衬底材料尚未成熟。

LED外延片的结构主要包括MIS结、P-N结、双异质结和量子阱几种，当前绝大多数LED均是量子阱结构的。

外延片的基本结构如图1-2所示。

目前使用的大部分灯具是白炽钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极管（LED）的发光原理则迥然不同。

发光二极管自发性（Spontaneous）的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近PN结面数μm以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即

λ=1240/Eg

　　电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg，单位为电子伏特（eV。

由光的量子性可知，hf=Eg[h为普朗克常量,f为频率，据f=c/λ,可得λ=hc/Eg,当λ的单位用um,Eg单位用电子伏特（eV）时，上式为λ=1.24um·ev/Eg]，若若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间

发光效率与材料是否为直接带隙（DirectBandgap）有关，图1.1（a）是直接带隙材料。

这些材料的导带最低点与价带的最高点在同一K空间。

所以电子与空穴可以有效地再复合（Recombination）而发光。

而图1.1（b）的材料均属于间接带隙（IndirectBandgap），其带隙及导带最低点与价带最高点不在同一K空间，以致电子与空穴复合时除了发光外，还需要产生声子（Phonon）的配合，所以发光效率低[7]。

目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。

2.2大功率LED基本参数及性能指标

1．极限参数的意义

（1）允许功耗Pm:

允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。

超过此值，LED发热、损坏。

（2）最大正向直流电流IFm：

允许加的最大的正向直流电流。

超过此值可损坏二极管。

（3）最大反向电压VRm：

所允许加的最大反向电压。

超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境topm:

发光二极管可正常工作的环境温度范围。

低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

2．电参数的意义

（1）光谱分布和峰值波长：

某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。

由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。

（2）发光强度IV：

发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。

若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。

由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉（mcd）作单位。

（3）光谱半宽度Δλ:

它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.

（4）半值角θ1/2和视角：

θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。

半值角的2倍为视角（或称半功率角）。

图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。

法线AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。

显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线

方向的角度越大，相对发光强度越小。

由此图可以得到半值角或视角值。

（5）正向工作电流If：

它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。

在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。

（6）正向工作电压VF：

参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。

一般是在IF=20mA时测得的。

发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。

在外界温度升高时，VF将下降。

（7）V-I特性：

发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。

在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。

当电压超过某一值后，正向电流随电

压迅速增加，发光。

由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。

正向的

发光管反向漏电流IR<10μA以下。

LED的电学指标 

1、 LED的电流-电压特性图

图1所示为LED工作的电流-电压（I-V）特性图。

发光二极管具有与一般半导体三极管相似的输入伏安特性曲线。

我们分别对图中所示的各段进行说明。

图1 LED工作的电流-电压特性图

OA段：

正向死区

VA为开启LED发光的电压。

红色（黄色）LED的开启电压一般为0.2~0.25V,绿色（蓝色）LED的开启电压一般为0.3~0.35V。

AB段：

工作区

在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。

但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压会减小，而正向电流会加大。

如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。

OC段：

反向死区

发光二极管加反向电压是不发光的（不工作），但有反向电流。

这个反向电流通常很小，一般在几μA之内。

在1990~1995年，反向电流定为10μA，1995~2000年为5μA；目前一般是在3μA以下，但基本上是0μA。

CD段：

反向击穿区

发光二极管的反向电压一般不要超过10V，最大不得超过15V。

超过这个电压，就会出现反向击穿，导致LED报废。

2、 LED的电学指标

对于LED器件，一般常用的电学指标有以下几项：

·正向电压VF：

LED正向电流在20mA时的正向电压。

·正向电流IF：

对于小功率LED，目前全世界一致定为20mA，这是小功率LED的正常工作电流。

但目前出现了大功率LED的芯片，所以IF就要根据芯片的规格来确定正向工作电流。

·反向漏电流IR：

按LED以前的常规规定，指反向电压在5V时的反向漏电流。

如上面所说，随着发光二极管性能的提高，反向漏电流会越来越小，但大功率LED芯片尚未明确规定。

·工作时的耗散功率PD：

即正向电流乘以正向电压。

3、 LED的极限参数

       对于LED器件，一般常用的极限参数有以下几项：

·最大允许耗散功率Pmax=IFH×VFH：

一般按环境温度为25℃时的额定功率。

当环境温度升高，则LED的最大允许耗散功率将会下降。

·最大允许工作电流IFM：

由最大允许耗散功率来确定。

参考一般的技术手册中给出的工作电流范围，最好在使用时不要用到最大工作电流。

要根据散热条件来确定，一般只用到最大电流IFM的60%为好。

·最大允许正向脉冲电流IFP：

一般是由占空比与脉冲重复频率来确定。

LED工作于脉冲状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节，例如LED显示屏就是利用这个手段来调节亮度的。

·反向击穿电压VR：

一般要求反向电流为指定值的情况下可测试反向电压VR，反向电流一般为5~100μA之间。

反向击穿电压通常不能超过20V，在设计电路时，一定要确定加到LED的反向电压不要超过20V。

4、 LED的其他电学参数

       在高频电路中使用LED时，还要考虑以下两个因素：

·结电容Cj

·响应时间：

上升时间tr，下降时间tf

       当LED接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间，否则LED无法正常工作。

LED的光学指标

       人眼对自然界光的感知有两个方面：

一是光的颜色，二是光的辐射强度。

我们将从这两方面展开讨论，进而分析LED的各种光学指标。

1、 光的颜色的三种表示法

·国际照明委员会色品图表示法

·光的颜色鲜艳度

·色温或相关色温

下面将逐一对其进行介绍。

国际照明委员会色品图表示法

       国际照明委员会（CIE）于1931年研究提出了XYZ色品图，1960年又在XYZ色品图的基础上提出了UCS色品图。

       颜色感觉是光辐射源或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。

因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。

       关于颜色的测理和标准应该符合人眼的观测结果。

但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有一些差异，因此要求根据大量观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，即“标准色度观测者光谱三刺激值”，以此来代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。

       CIE于1931年在RGB系统的基础上采用设想的三原色X、Y、Z（分别代表红色、绿色和蓝色），建立了CIE1931色品图，如图1所示。

该图是归一化图，只要标示X、Y值，就可以知道Z的值（Z=1-（X+Y）），因而三变量的色品图就变成X、Y二变量的平面图。

图1 CIE1931色品图

光的颜色鲜艳度

       光的颜色鲜艳度必须用光的主波长λd和色纯度来表示。

目前，LED芯片供应商都是用主波长λd来表示鲜艳度，而不用峰值波长λp来表示。

·主波长λd：

如图2所示为色品图，图中AB为黑体轨迹。

设F点为某一光源在色品图中的坐标，E点为理想等能量白光的参考光源点，在色品图标中为（0.3，0.3）。

由E点连接F点并延伸交于G点，则G点对应的单色波长即称为F点光源的主波长λd。

·峰值波长λp：

光谱发光强度或辐射功率最大处的对应的波长。

它是一种纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的单色光的检测。

·中心波长：

光谱发光强度或辐射功率出现主峰和次峰时，主峰半宽度的中心点所对应的波长。

一般应用于配光曲线法向方向附近凹进去的、质量不好的单色管的检测。

·色纯度Pe：

如图2所示，Pe=EF/EG。

如果某一光源在色品图中F点的坐标越靠近G点，那么EF和EG的长度就越接近相等，Pe越接近1，色纯度就越高。

色纯度通俗地说是指出射光的色坐标靠近CIE1931色品图上光谱轨迹的程度，靠得越近则纯度越高。

所以，若色坐标位于光谱轨道上，则色纯度为100%；反之，等能的白光纯度则为0%。

色纯度也是一种生理-心理物理量。

·半宽度：

光谱发光强度或辐射功率最大处的一半的宽度（FWHM），简称“带宽”。

带宽越小则颜色越纯，显然它也是纯粹的物理量。

图2 主波长示意图

色温或相关色温

       白光在照明领域的使用，一般用色温或相关色温表示（有时也用色坐标表示）。

光源的颜色有两方面的意思，即色表和显色性。

色表就是人眼直接观察光源时所看到的颜色感觉；光源的光照射到物体上所产生的客观效果，即光源使被照有色物体的颜色再次显现出来的能力，称为光源的显色性。

       光源发光的颜色可用色温Tc表示。

当光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的这个温度就称为光源的颜色温度，简称色温。

       光谱的能量分布和黑体在某一温度下辐射的相对光谱能量分布相似时，其颜色必定相同。

因此分布温度一定是色温，如白炽灯、卤钨灯发出光的颜色可用色温表示；但对于气体放电光源，其光谱能量分布很少与黑体的相似，所以这些光源的分布温度仅能称为相关色温。

如黑体钨丝在2000°F（华氏度1°F=0.555556K）以上时辐射出的颜色与蜡烛点亮时发射光的颜色相同，那么钨丝2000°F以上的温度就称为蜡烛光的色温。

       某一光源的相关色温的求法是：

在CIE1960UCS色品图中，代表该光源颜色的坐标点向黑体白轨做垂线，与白轨相交点的黑体的色温即为该光源的相关色温。

       一般情况下，人们把高色温称为冷色调，把低色温叫做暖色调。

2、 与光辐射强度有关的指标

相对视敏函数V（λ）曲线

       对于有不同λp的光线，即使光功率一样，人眼感到的光强度仍是不一样。

人眼对于λp=555nm的绿光的灵敏度最高，对该值两边波长的灵敏度越来越低。

当λp<380nm或λp>780nm时，即使光源的光能量辐射再强，人眼也对它没有任何光的感觉。

例如在图3的相对视敏函数曲线中，对于850nm、880nm、940nm处的线外线，人眼根本看不到。

图3 相对视敏函数曲线

       国际照明委员会研究推荐了V（λ）曲线。

当λp=555nm时，V（λ）为最大值1.0；而当λp=460nm时，V（λ）=0.06；当λp=660nm时，V（λ）=0.0608。

光通量φ

       光通量是按人眼的光感觉来度量光的辐射功率，即辐射光功率能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。

表征的符号为φ，国际通用的光通量单位为流明（lm）。

       假设单色光的波长为λi，则该波长的光通量F（λi）就等于它的辐射功率P（λi）与相对视敏函数V（λi）的乘积，可参见式

（1）：

F（λi）=P（λi）×V（λi）                   

（1）

       如果光源的辐射功率波谱为Px（λ），则总的光通量F（λ）应为各个波长分量光通量的总和，即式

（2）：

（2）

       P（λ）为给定波长的光辐射功率，单位是W。

V（λ）为给定波长的相对视敏函数。

最大流明效率Km为683lm/W（当λp=555nm时）。

流明效率

       人眼受能见度限制，因此对于不同的λp，光有不同的最高流明效率：

·λp=555nm时：

最大流明效率（Km）为683lm/W；

·λp=470nm时：

V（λ）=0.0913，最大流明效率为683×0.0913=62.40lm/W；

·λp=460nm时：

V（λ）=0.06，最大流明效率为683×0.06=41.00lm/W；

·λp=450nm时：

V（λ）=0.038，最大流明效率为683×0.038=26.01lm/W；

·λp=660nm时：

V（λ）=0.0608，最大流明效率为683×0.0608=41.5lm/W；

·λp=650nm时：

V（λ）=0.107，最大流明效率为683×0.107=73.081lm/W；

·λp=620nm时：

V（λ）=0.381，最大流明效率为683×0.381=260.223lm/W；

       不同光源组成的白光，其最大流明效率因人眼能见度不同的原因而不同。

中色温区的最大流明效率会比较高，而高色温区和低色温区的最大流明效率会比较低。

所以对于不同的色温，其流明效率会不一样。

       提高白光LED的光效，应考虑选用LED辐射的光波长和YAG荧光粉的光谱，当前YAG荧光粉有λp=530nm、540nm、550nm、560nm、570nm，并且带宽也不一样。

       蓝光LED激发黄色YAG荧光粉形成白光时，虽然辐射出的蓝光能量有损失，但激发出黄光的最大流明比蓝光要高好几倍，所以人眼感觉的流明效率提高了。

发光强度I

       光源在指定方向上的立体角dΩ之内所发出的光通量或所得到光源传输的光通量dφ，这二者的商即为发光强度I（单位为坎德拉，cd）：

I=dφ/dΩ                      （3）

1cd=1lm/sr（流明/立体弧度）=1烛光

       若光源向空间发射的总光通量为φ，因光源总立体角度为4π，则平均光强Iθ=φ/4π。

实际光强在空间各个方向的分布是不均匀的，空间光强分布的曲线称为配光曲线。

亮度L

       光源发光面上某点的亮度L（单位为cd/m2），等于垂直于给定方向的平面上所得到的发光强度与该正投影面积之商，即

L=dI/dScosθ                  （4）

单位为尼特（nt），1nt=1烛光/m2=1cd/m2。

       若光源射来的光线与测量面垂直，则cosθ=1。

对于理想平面漫反射光源，若光源面积为S，向上空发射的光通量为φ，则有光强I=φ/2π（因为向上发射，所以只有2π）：

L=I/S=φ/2π·S                （5）

照度E

       光源的照度E（单位为勒克斯，1x；11x=11m/m2）即光源照到某一物体表面上的光通量dφ与该表面积dS之商，表示为

E=φ/S                          （6）

对于点光源，若在某一方向上光强为I，则距离r处的照度为

E=I/r2                         （7）

照度与光源距离的平方成反比。

半强角度

       半强角度即以前所说的半值角，就是光源中心法线方向向四周张开，中心光强I到周围的I/2之间的夹角，即为半强角度

，如图4所示。

当光源的光强均匀时，向法线偏转的周围光强是原来一半时所夹的角应当都相等。

当光强不均匀时，夹角就不相等了。

半强角度与视角是有区别的，视角一般比较大。

LED光源的发光角度也是一个指标。

图4 光源的半强度角