任務三 電學特性

固體電光源LED是目前廣泛使用的節能環保電光源，所以討論照明技術中的電學特性主要針對LED光源的電學特性。對于LED作為一種pn結發光的電光源，顯然，其電學特性參數也是非常重要的。LED的電學特性參數主要是伏安特性（曲線），以及根據對該曲線的分析而提取出來的正向工作電流、正向壓降、反向電流、反向壓降、功率等。此外，作為一個電光源，顯然發光效率也是其重要的聯系電、光特性的參數。

1.伏安特性曲線

器件的伏安特性是指流過器件的電流和器件兩端施加的電壓之間的函數關系。伏安特性是一切電阻型電子器件的主要特性，LED屬于這一范疇，因此，伏安特性是LED主要的電學特性。LED的伏安特性曲線如圖1-18所示。

伏安特性也是表征LED芯片pn結制備性能的主要參數。LED的伏安特性具有非線性、單向導電的特點，即外加正偏壓表現低接觸電阻，反之為高接觸電阻。

從圖1-18中可見伏安特性曲線分為四段。

（1）正向死區 這是正向電壓太低，LED還沒有開始工作的狀態（見圖1-18中Oa段），a點對應的Va為開啟電壓，當V＜Va時，外加電場尚克服不了因載流子擴散而形成的勢壘電場，此時R很大。開啟電壓對于不同LED其值不同，GaAs為1V，紅色GaAsP為1.2V，GaP為1.8V，GaN為2.5V。

（2）正向工作區 這是LED正常工作的發光狀態，電流IF與外加電壓呈指數關系。實際工作時，一般使其處于一種合適的狀態。當然，如果正向電壓很高，或者電流很大，則LED也能發光，但是，若處于超負荷高發熱工作狀態，則壽命將大大縮短。

（3）反向死區 當V＜0時，pn結加反向偏壓，這是一種加上較小的反向電壓的情形，LED反向電流很小，處于反向截止狀態。

（4）反向擊穿區 當V＜-VZ時，VZ稱為反向擊穿電壓，這是反向加上一個很高的電壓的情形，反向電壓VR對應的IR為反向漏電流。當反向偏壓一直增加使VR＜-VZ時，將出現IR突然增加而被擊穿的現象。由于所用化合物材料種類不同，所以各種LED的反向擊穿電壓VZ也不同。反向擊穿會對LED造成損壞。

2.幾個常用的重要參數

LED的伏安特性曲線可以較為全面地分析LED的電學特性，在LED芯片制造、封裝以及不同應用場合的器件選型和設計時，通常需要強調以下幾個參數。

（1）正向工作電流IF正向工作電流包括以下幾種情形：

1）額定工作電流IF（mA）：指在理想的線性工作區域，LED在此電流下可安全地維持正常的工作狀態。一般情況下，小功率LED的額定工作電流為20mA左右。

2）最小工作電流IFL（mA）：指當小于此電流工作時，由于超出理想的線性工作區域，所以無法保證LED的正常工作狀態（尤其是在一致性方面）。

3）最大容許正向電流IFH（mA）：指LED可承受的最大正向工作電流。在此電流下，LED仍可正常工作，但發熱量劇增，LED的使用壽命將大大縮短。

4）最大容許正向脈沖電流IFP（mA）：指LED可承受的最大占空比的正向脈沖電流的高度。

（2）正向壓降VF正向電壓VF是指額定正向電流下器件兩端的電壓降，這個參數既與材料的禁帶寬度有關，又標志了pn結的體電阻與歐姆接觸電阻的高低。VF的大小一定程度上反映了電極制作的優劣。相對于20mA的正向電流，紅黃光類LED的VF值約為2V，而GaN基藍綠光類LED器件的VF值通常大于3V。

（3）反向漏電流IR反向漏電流IR是指給定的反向電壓下流過器件的反向電流值，反向漏電流是器件質量好壞的敏感性指標。通常，在5V的反向電壓下，反向漏電流應不大于10mA，IR過大則表明結特性較差。

（4）反向電壓VR反向電壓VR是指在指定反向電流下所對應的反向電壓。反向擊穿電壓是指當反向電壓大于某一值時，反向漏電電流會急劇增大。對具體器件而言，在較為嚴格的情況下，要求反向漏電流不大于10mA。

（5）反向擊穿電壓VZLED所能承受的最大反向電壓，即反向電壓超出此電壓使用時，將導致LED反向擊穿。

（6）耗散功率PDLED的耗散功率PD=IF·VF，耗散功率既是LED消耗的電功率。根據耗散功率的大小，通常把LED劃分為小功率和大功率，一般以0.5～1W為分界線。

（7）發光效率ηe發光效率簡稱光效。光源的發光效率定義為其光通量與所消耗功率的比值，即

發光效率的單位為lm/W（流明每瓦）。

發光效率是一個反映LED綜合光電性能的參數，是將外部量子效率用視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）來表示的數值。外部量子效率是指發射到LED芯片和封裝外的光子個數相對于流經LED的電子個數（電流）所占的比例。組合使用藍色LED芯片和黃色熒光粉的白光LED的外部量子效率，由相對于內部量子效率（在LED芯片發光層內發生的光子個數占流經LED芯片的電子個數（電流）的比例）、芯片的光萃取效率（將所發的光取出到LED芯片之外的比例）、熒光粉的轉換效率（芯片發出的光照到熒光粉上轉換為不同波長的比例）以及封裝的光取出效率（由LED和熒光粉發射到封裝外的光線比例）的乘積決定。

在發光層產生的光子，其中一部分或在LED芯片內被吸收，或在LED芯片內不停地反射，而出不了LED芯片。因此，外部量子效率比內部量子效率要低。發光效率為100lm/W的白光LED，其輸入電能只有32%作為光能輸出到了外部，剩余的68%轉變為熱能。

通常白熾燈與熒光燈的光效分別為15lm/W與60lm/W，燈泡的功率越大，光通量越大。對于一個性能較高的LED器件，光效為數十流明每瓦，實驗室水平達到100lm/W以上。為使LED器件更快地用于照明，必須進一步提高LED器件的發光效率，目前，LED的光效可達200lm/W。人類將會迎來一個固態光源全面替代傳統光源的新時代。