GaN基LED发光原理及全参数Word文档格式.docx
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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围。
低于或高于此温度围,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
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(med)作单位。
(3)光谱半宽度△入:
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B1/2和视角:
B1/2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)。
JUZUIlf1J)W2U3U
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。
*11'
nA.)
-10*5/
L&
1IVfV)
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IRvIO卩A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1LED工作的电流-电压特性图
0A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。
0C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uA之。
在1990~1995年,反向电流定为10卩A,1995~2000年为5卩A;
目前一般是在3uA以下,但基本上是0卩Ao
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15Vo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
•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Pma=lFHXVFH:
一般按环境温度为25C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:
—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:
—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5~100^A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、丫值,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、丫二变量的平面图
图1CIE1931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入d和色纯度来表示。
目
前丄ED芯片供应商都是用主波长入d来表示鲜艳度,而不用峰值波长入p来表示。
•主波长入d:
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点光源的主波长入d。
•峰值波长入p:
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。
i—
00.3
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&
品图中,代表该光源颜色的坐
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