LED光学特性和热学特性分析

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1、LED光学特性和热学特性分析来源：电子工程世界链接：www.china-nengyuan.com/tech/27179.htmlLED光学特性和热学特性分析LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱回应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。LED光学特性发光二极体有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。发光法向光强及其角分布Iθ发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透

2、镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分佈Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）发光峰值波长及其光谱分布LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关

3、，而与器件的几何形状、封装方式无关。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。谱线宽度在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应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。主波长有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能

4、观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。光通量光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，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——光通量与芯片材料、封装工艺水准及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约1lm，白光LED的F≈1.5~1.8lm（小芯片），对于1mm×1mm

5、的功率级芯片制成白光LED，其F=18lm。发光效率和视觉灵敏度1LED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）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。2视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ=555nm处有一个最大值680页面1/3LED光学特性和热学特性分析来源：电子工程世界链接：www.china-nengyuan.com/tech/27179.htmllm/w。若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光

6、通量F之间关係为P=∫Pλdλ；F=∫KλPλdλ3发光效率——量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数=（e/hcI）∫λPλdλ若输入能量为W=UI，则发光能量效率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/P4流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的

7、发光效率应为η=ηiηcηe，式中ηi向为p、n结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光（光取出效率）效率。由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气介面时（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%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率ηe可採取以下措施：1用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面；2把芯片晶体表面加工成半球形；3用Eg大的化合物半导体作

8、衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用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、