led灯的种类

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LED（发光二极管）分类及发光材质介绍

LED技术指标介绍

LED显示屏的相关知识2009-10-0714:47阅读

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LED电子显示屏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：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及

热学特性。

1、LED电学特性

1.1I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LE

D的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加

正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

如左图：

(1)正向死区：（图oa或oa′段）a点对于V0为开启电

压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势

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垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，G

aAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.

5V。

（2）正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系

IF=IS(eqVF/KT–1)-------------------------IS为

反向饱和电流。

V＞0时，V＞VF的正向工作区IF随VF指数上升IF=

ISeqVF/KT

（3）反向死区：V＜0时pn结加反偏压

V=-VR时，反向漏电流IR（V=-5V）时，GaP为0V，

GaN为10uA。

（4）反向击穿区V＜-VR，VR称为反向击穿电压；V

R电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜-

VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化

合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。

1.2C-V特性

鉴于LED的芯片有9×9mil(250×250um)，10×10mil，

11×11mil(280×280um)，12×12mil(300×300um)，故

pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。

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C-V特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ交流信

号用C-V特性测试仪测得。

1.3最大允许功耗PFm

当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=

UF×IF

LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，

还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温

度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散

逸热量（功率），可表示为P=KT（Tj–Ta）。

1.4响应时间

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有

几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、

LED都达到10-6~10-7S（us级）。

①响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延

迟的时间，即图中tr、tf。图中t0值很小，可忽略。

②响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电

路阻抗。

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LED的点亮时间——上升时间tr是指接通电源使发光亮

度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%

所经历的时间。

LED熄灭时间——下降时间tf是指正常发光减弱至原来

的10%所经历的时间。

不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、Ga

AsP、GaAlAs其响应时间＜10-9S，GaP为10-7S。因此

它们可用在10~100MHZ高频系统。

2LED光学特性

发光二极管有红外（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。

2.1发光法向光强及其角分布Iθ

2.1.1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

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。

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2.1.2发光强度的角分布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）

⑴为获得高指向性的角分布（如图1）

①LED管芯位置离模粒头远些；

②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；

③封装的环氧树脂中勿加散射剂。

采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右，大大提高了

指向性。

⑵当前几种常用封装的散射角（2θ1/2角）圆形LED：

5°、10°、30°、45°

2.2发光峰值波长及其光谱分布

⑴LED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p

n结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几

何形状、封装方式无关。

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下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱

响应曲线。其中LED光谱分布曲线

1蓝光InGaN/GaN2绿光GaP:N3红光GaP:Zn-O

4红外GaAs5Si光敏光电管6标准钨丝灯

①是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰λp=46

0～465nm；

②是绿色GaP:N的LED，发光谱峰λp=550nm；

③是红色GaP:Zn-O的LED，发光谱峰λp=680～70

0nm；

④是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰λp=910n

m；

⑤是Si光电二极管，通常作光电接收用。

由图可见，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。

⑵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。

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半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半

宽小于40nm。

⑶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观察到的，由L

ED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。

2.3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

水平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的功率级芯片制成白光LED，其F=18lm。

2.4发光效率和视觉灵敏度

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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680lm/w。若视

觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光通量F之间关系

为P=∫Pλdλ；F=∫KλPλdλ

③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=K

ηPW式中K=F/P

④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。

以下列出几种常见LED流明效率（可见光发光效率）：

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LED发光颜色λp（nm）材料可见光发光效率（lm/w）

外量子效率

最高值平均值

红光700660650GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP2.40.270.

38120.50.51~30.30.2

黄光590GaP:N-N0.450.1

绿光555GaP:N4.20.70.015~0.15

蓝光465GaN10

白光谱带GaN+YAG小芯片1.6，大芯片18

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

材料与空气界面时（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。

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为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：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、GaAlAs的LED效

率提高4~6倍。

2.5发光亮度

亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。

其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面

亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐

射的光通量，单位为cd/m2或Nit。

若光源表面是理想漫反射面，亮度BO与方向无关为常

数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），

从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。

LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流

密度）增加BO也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，

环境温度升高，ηc（复合效率）下降，BO减小。当环境温

度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度

呈饱和状态。

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2.6寿命

老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度

衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述

为Bt=BOe-t/τ，Bt为t时间后的亮度，BO为初始亮度。

通常把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t称为二极管

的寿命。测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测

量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103~104小时后，

先后测得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出

τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。

长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED

在IF=20mA下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为

以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光

衰减为原来35%，寿命＞6000h。

3热学特性

LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在

小电流IF＜10mA，或者10~20mA长时间连续点亮LED

温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或λp就会向

长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升

对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。

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LED的主波长随温度关系可表示为λp（T′）=λ0（T0）

+△Tg×0.1nm/℃

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，

且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光

源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度

的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。

led灯管、led日光灯：