Led半导体的检测与分析.doc
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1、不同功率LED参数测试与分析摘要本文的重点是大功率LED测试及分析。大功率LED的电参数和光参数,是通过测其光谱图和相应参数随电流的变化曲线图,然后再对其相关特性进行分析的。从分析中进一步加深对LED电参数和光参数等方面知识了解和认识。进而了解这些参数随电流的变化情况,如正向电压(VF)、光通量()、色温(Tc)等一系列参数的相应变化过程。测量和掌握LED的光电特性及外界因素对光电特性的影响,是正确使用大功率LED的基础将有助于更好大功率LED在照明方面合理应用,提高大功率LED的效率。关键词:LED结构,发光原理,电参数,光参数,VF,功率,光通量,色温,应用领域AbstractThe fo
2、cus of this paper is high power LED testing and analysis. The electrical and optical parameters of high-power leds are analyzed by measuring their spectra and the curves of the corresponding parameters changing with the current. From the analysis to further deepen the LED electrical parameters and o
3、ptical parameters and other aspects of knowledge and understanding. To understand these parameters with the change of electric current, such as forward voltage (VF), luminous flux (), color temperature (Tc) and a series of process parameters to the corresponding change. Measuring and mastering the p
4、hotoelectric characteristics of LED and the influence of external factors on the photoelectric characteristics are the basis for the correct use of high-power LED, which will contribute to the rational application of high-power LED in lighting and improve the efficiency of high-power LED.Keywords: L
5、ED structure, luminescence principle, electrical parameters, optical parameters, VF, power, luminous flux, color temperature, application field目录前 言 4一、LED的基础知识51.1 LED的结构及发光原理5 1.1.1 LED的结构5 1.1.2 LED的发光原理61.2 LED的基本参数7 1.2.1 LED的电参数7 1.2.2 LED的光学参数81.3 大功率LED 13二、LED光色电参数的测量142.1 大功率LED电参数测试142.1.
6、1 正向电流和正向电压的测试17 2.1.2 功率-电流变化曲线测试 18 2.2 大功率LED光参数试19 2.2.1 光通量的测量19 2.2.2 色温的测量21 2.3 大功率白光LED分析22三、LED的应用领域24四、总结 25五、参考文献 26六、附图:实验设备及测试LED灯27前言在21世纪,大功率LED照明技术的发展,引起了国内外光源界的普遍关注,现已成为有发展和影响力的一项高新技术。随着LED照明技术的不断创新和发展,大功率白光LED相对于传统的白炽灯、荧光灯、节能灯、高压气体灯等传统的照明光源,具有节电、使用寿命及反应速度快等诸多优点,本论文将对大功率LED参数进行测试与分
7、析,介绍LED的基本知识如:LED结构及原理、LED的电参数、LED的光参数等,并通过对测试结果进行分析,分析一些主要的参数如:正向电压与正向电流变化曲线、光通量与正向电流的变化曲线、色温与正向电流变化曲线等,从分析中进一步加深对LED知识的了解,明白了一些变化过程。由于时间有限,实验条件有限,加之自己的水平有限,可能有些分析不够全面,还望老师指出,以便修正。一 LED基础知识1.1 LED的结构及发光原理1.1.1 LED的结构 LED是发光二极管( Light Emitting Diode, LED)的简称,是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性,其核心部分是PN结。 图1-
8、1 LED结构示意图 LED器件的制造目的是为了得到光,所以它的结构和普通半导体二极管并不一样,其结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。LED的结构示意图如图11所示 。 从图中可以看出LED主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。1)、支架: 支架的作用:用来导电和支撑 。 支架的组成:支架由支架素材经过电镀而形成,由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。2)、银胶: 银胶的作用:固定晶片和导电的作用。 银胶的主要成份:银粉占75-80%、EPOXY(环氧树脂)占10-15%、添加剂占5-10%。 银胶的使用:冷藏,使用前需解冻并充分搅拌均匀,因银胶放置长时间后,银粉。
9、会沉淀,如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。3)、晶片 晶片的作用:晶片是LED Lamp的主要组成物料,是发光的半导体材料。 晶片的组成:晶片是采用磷化镓(GaP)、镓铝砷(GaAlAs)或砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等材料组成,其内部结构具有单向导电性。4)、金线: 金线的作用:连接晶片PAD(焊垫)与支架,并使其能够导通。 金线的纯度为99.99%Au;延伸率为2-6%,金线的尺寸有:0.9mil、1.0mil、1.1mil。5)、环氧树脂: 环氧树脂的作用:保护Lamp的内部结构,可稍微改变Lamp的发光颜色,亮度及角度;使Lamp成形。 图1-2 LED的发光原理 1.1.2
10、 LED的发光原理发光二极管是由-族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。PN结根据其端电压构成一定的势垒:当加正向偏置时势垒下降,P区和N区的多数载流子向对方扩散。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。 半导体可分为直接跃迁和间接跃迁两种。LED大都采用直接跃迁材料,这样可使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光,有很高的效率:反之,采用间接跃迁材料,其效率就低一些。1.2 LED的基本参数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
11、学参数特性(I-V特性、C-V特性)和光学特性等。图1-3 LED的I-U特性1.2.1 LED的电参数(1)LED的I-U特性图13所示为LED工作的I-U特性图。发光二极管具有与一般半导体二极管相似的输入伏安特性曲线,下面分别就对图中所示的各段进行说明。 l 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0.20.25V,绿色(蓝色)LED的开启电压一般为0.30.35V。l 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
12、,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。 l 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A之内。在19901995年,反向电流定为10A,19952000年为5A;目前一般是在3A以下,但基本上是0A。 l 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。u 正向电压VF:LED正向电流在20mA时的正向电压。u 正向电流 IF:对于小功率LED,目前全世界
13、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。u 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。u 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:n 最大允许耗散功率Pmax=IFHVFH: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。n 最大允许工作电流IFM:由最大允许耗散功率来确定。
14、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。n 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。1.2.2 LED的光参数 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。一、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。(1)国际照明委员会色品图表示法 国际照
15、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。图1-4 CIE1931色品图 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1-4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。 (2)光的颜色鲜艳度 光的颜色鲜艳度必须用光的主波长d和色纯度来表示。目前,LED芯片供应商都是用主波长d来表示鲜艳度,而不用峰值波长p来表示。主波长d:如图1-5所示为色品图,图中AB为黑体轨迹。设F
16、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)。峰值波长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。图1-5 CIE1931色品图半宽度:光谱发光强度或辐射功率最大处的一半的宽度(FWHM),简称
17、“带宽”。带宽越小则颜色越纯,显然它也是纯粹的物理量。 (3)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。 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。图1-6 不同颜色的色温一般情况下,人们把高色温称为冷色调,把低色温叫做暖色调。二、与光辐射强度有关的指标图1-7 相对视敏函数V()曲线(1)相对视敏函数V()曲线对于有不同p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p=555nm的绿光的灵敏度最高,
18、对该值两边波长的灵敏度越来越低。当p780nm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。(2)光通量 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,国际通用的光通量单位为流明(lm)。 假设单色光的波长为i,则该波长的光通量F(i)就等于它的辐射功率P(i)与相对视敏函数V(i)的乘积,可参见式(1):F(i)=P(i)V(i) (1)(3)流明效率 人眼受能见度限制,因此对于不同的p,光有不同的最高流明效率: 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p =530
19、nm、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。(4)发光强度I 光源在指定方向上的立体角d之内所发出的光通量或所得到光源传输的光通量d,这二者的商即为发光强度I(单位为坎德拉,cd):I=d/d (2)1 cd=1 lm/sr(流明/立体弧度)=1 烛光 若光源向空间发射的总光通量为,因光源总立体角度为4,则平均光强I =/4。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。(5)亮度L 光源发光面上某点
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