LED的技术特性及参数详解

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED的电压降取决于内部光子发射所需跃过的能量势垒。实际上，稳压二极管也有ESR，其值比LED的还要大。实际上，LED正向导通压降的偏差很大。超过此值可损坏LED。低于或高于此温度范围，LED将不能正常工作，效率大大降低。③ 光谱半宽度：表示LED的光谱纯度。由V-I曲线可以得出LED的正向电压、反向电流及反向电压等参数。

1.LED的基本结构与发光原理

LED与普通二极管一样，仍然由PN结构成，同样具有单向导电性，如图1-1所示。LED工作在正偏状态，在正向导通时能发光，所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。

图1-1 PN结的单向导电性

LED半导体在正向偏压下发光是通过电子与空穴的复合运动，将复合的能量以光（有效复合）或热（无效复合）的形式释放，发出的光场呈扇形分布，其发光强度略大于最大强度的一半之处所构成的角度，称为半强度角。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1-2所示。

典型的点光源属于高指向性光源，如图1-3所示。如果将多个LED芯片封装在一个面板上，就构成了面光源，它仍具有高指向性，如图1-4所示。

图1-2 LED发光原理

图1-3 LED点光源

图1-4 LED面光源

LED获得白光的方法是利用同时在两种或更多种发光层中发出的光进行混合来得到白光。这种技术建立在连续沉积或不同材料的共蒸发和对激子复合区控制的基础上。在这种结构中，包含了许多有机—无机界面，界面处的能垒增加了载流子的注入难度，并且产生焦耳热。因此，为了减小有机—无机界面处的电荷注入能垒和焦耳热，发光材料的选择原则：邻近发光材料的最高被占用分子轨道和分子最低空余轨道需要相互匹配。器件的发光取决于每个层的成分和膜厚，需要对发光层的成分和膜厚进行精确控制才能使颜色平衡。复合区通过在空穴传输层和电子传输层中间加入仅对一种载流子具有阻挡作用的阻挡层来进行控制，以便复合区发生在两种或三种不同的发光层中。这样做的结果是在不同的发光层中都发出光。

2.LED的导通压降

LED可以看成恒压负载。LED的电压降取决于内部光子发射所需跃过的能量势垒。能量势垒由颜色决定，即电压降也取决于发光颜色。由于生产过程的差异，使得每一个LED的波长不尽相同，因此也造成了电压降上的差异。最高波长的偏差带通常为±10%。如图1-5所示为LED正向导通压降与颜色和电流的关系曲线。在导通起始点，红光LED的导通电压降V_f约为2V，蓝光LED的导通压降约为3.5V。具体的压降值取决于不同制造厂商选用的掺杂材料和波长。

两个LED之间的温度不同也会带来颜色上的不同，并且还造成电压降的差异。温度较高时，电子更容易越过能量势垒。电压降以每度两毫伏的比例，随温度上升而减少。半导体并不是完美的导体，其中存在与恒压负载串联的电阻，如图1-6所示。

图1-5 LED导通压降与颜色和电流的关系曲线

这意味着电压降随流经的电流值增大而上升。等效串联电阻的大小等于正向导通压降的增加值除以流经电流的增加值。例如，如果流经的电流从10mA增加到20mA，对应的导通压降从3.5V增加到3.55V，则可计算得到ESR为50mV/10mA＝5。

在图1-6中，稳压二极管被当作理想器件。实际上，稳压二极管也有ESR，其值比LED的还要大。在LED驱动电源的早期测试阶段，5W、3.9V的稳压二极管可用来替代（白光）LED作为负载。若驱动电源不能按照设计正常工作，稳压二极管就会发生损坏。稳压二极管损坏的成本，要比大功率LED低得多。而且，稳压二极管在工作过程中，不会发出使测试工程师目眩的光。

图1-6 LED的等效电路

在LED驱动电路设计时，最常见的错误是基于LED正向导通压降典型值V_f，typ进行设计。这种设计思路包括把多个LED串并联起来，并认为各LED串的总正向导通压降是相同的，流经各串的电流也是相等的。实际上，LED正向导通压降的偏差很大。例如，单颗1W的Luxeon Star型白光LED的正向导通压降典型值为V_f＝3.42V，但实际值中最小的仅2.79V，最大的达3.99V。正向导通压降的偏差高达±15%以上。

3.LED的技术参数

（1）极限参数

① 允许功耗P_m：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会因为发热而损坏。

② 最大正向直流电流I_Fm：允许加在LED两端的最大正向直流电流。超过此值可损坏LED。

③ 最大反向电压V_Rm：允许加在LED两端的最大反向电压。超过此值，LED可能被击穿损坏。

④ 工作环境t_opm：LED可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，LED将不能正常工作，效率大大降低。

（2）电参数

① 光谱分布和峰值波长：某一个LED所发的光并非单一波长，其波长大体按照图1-7所示的波形分布。由图可见，该LED所发的光中某一波长的光强最大，该波长则为峰值波长。

图1-7 LED光谱分布和峰值波长

② 发光强度I_V：LED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的发光强度小，所以发光强度常用毫坎德拉（mcd）作单位。

③ 光谱半宽度：表示LED的光谱纯度。如图1-8所示为1/2峰值光强所对应两波长的间隔。图中为两只不同型号LED发光强度角分布的情况。中垂线（法线）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。由此图就可以得到半值角或视角。

④ 半值角和视角：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）。

⑤ 正向工作电流I_f：是指LED正常发光时的正向电流值。在实际使用中，应根据需要选择I_f在0.6I_fm以下。

⑥ 正向工作电压V_F：元件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I_f＝20mA时测得的。普通LED的正向工作电压V_F在1.4～3V。当外界温度升高时，V_F将下降。

图1-8 光谱半宽度

⑦ V-I特性LED的电压与电流的关系如图1-9所示。在正向电压小于某一值（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LED的正向电压、反向电流及反向电压等参数。例如其反向漏电流I_R＜10μA以下。

（3）LED的性能参数

不同的应用场合，决定了对LED产品的性能要求。从光学性能来看，用于显示的LED，主要是亮度、视角分布、颜色等参数。用于普通照明的LED，更注重光通量、光束的空间分布、颜色、显色特性等参数，而生物应用的LED，则更关心生物有效辐射功率、有效辐射照度等参数。

LED既是一种光源，又是一种功率型的半导体器件，因此，有关它的性能参数必须从光学、电学和热学等诸多方面进行综合评价。从目前LED产品的结构及产业发展的角度看，照明LED产品主要需考虑光学性能、电性能、热性能、辐射安全和寿命等几方面的参数。

图1-9 LED的V-I特性

① 光学性能参数：LED的光学性能主要涉及光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准《半导体发光二极管测试方法》，主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。显示用的LED，主要是视觉的直观效果，对相关色温和显色指数不做要求。而照明用的白光LED，上述两个参数就尤为重要，它是照明气氛和效果的重要指标，而色纯度和主波长一般没有要求。

② 电性能参数：LED的PN结电特性，决定了LED在照明应用中区别于传统光源的电气性能，即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点。目前主要的测量参数包括正向驱动电流、正向压降、反向漏电流、反向击穿电压和静电敏感度等。

在设计LED电源时，应该特别注意其电性能参数。让LED工作的最简单的方法是把电压源通过一个串联电阻加到LED上，如图1-10a所示。只要工作电压（V_B）保持恒定，LED就会发射恒定强度的光（虽然光强随环境温度增高而减弱）。可以根据要求通过改变电阻值来改变LED的发光强度。

图1-10 最基本的LED应用电路

LED发射的彩光（发射波长）在正向电流、工作电压和环境温度变化时能相对保持恒定。标准绿光LED的发射波长为565nm左右，公差只有25nm。因其色差是很小的，几个这样的LED可以并联工作，如图1-10b所示。正向电压的正常变化会导致光强略有变化，但这种差别也是较小的。通常，可以忽略来自同一厂家和同一批号的LED的差别。

在正向电流接近10mA时，正向电压随正向电流有小的变化，红光LED的变化大约为200mV，其他LED的变化为400mV左右。在正向电流低于10mA时，红光LED的正向电压比蓝光或白光LED小很多，这样可直接用Li+电池或3节NiMH电池为它们供电。因此，使标准LED工作的供电成本是比较低的。

③ 热性能：照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一，与此同时，LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。

④ 辐射安全：目前，国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射的安全测试和论证。因LED是窄光束、高亮度的发光器件，考虑到其辐射可能危害人眼视网膜，因此，对于在不同场合应用的LED，国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法。目前在欧盟和美国，照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求执行。

⑤ 可靠性和寿命：可靠性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力。在液晶背光源和大屏幕显示中特别重要。寿命是评价LED产品可用周期的质量指标，通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中，有效寿命是指LED在额定功率条件下，光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间。

4.LED的发光效率

（1）内部效率和外部效率

发光效率是光通量与电功率之比。LED的效率有内部效率（PN结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）之分，内部效率只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED最重要的特性是辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。发光效率代表了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。

（2）流明效率

流明效率是评价具有外封装的LED特性的主要参数。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，故也叫做可见光发光效率。表1-1列出了几种常见LED的流明效率（可见光发光效率）。

表1-1 常见LED的流明效率

随着白光LED芯片发光效率的不断提升，80lm/W以上的白光芯片已成为市场主流，而实验室中更可做出150lm/W以上的芯片。这些令人振奋的消息与事实，已使LED与传统金属钠灯的性价比相接近，并有凌驾于传统金属钠灯之上的趋势。

LED的技术特性及参数详解

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