任务三 电学特性

固体电光源LED是目前广泛使用的节能环保电光源，所以讨论照明技术中的电学特性主要针对LED光源的电学特性。对于LED作为一种pn结发光的电光源，显然，其电学特性参数也是非常重要的。LED的电学特性参数主要是伏安特性（曲线），以及根据对该曲线的分析而提取出来的正向工作电流、正向压降、反向电流、反向压降、功率等。此外，作为一个电光源，显然发光效率也是其重要的联系电、光特性的参数。

1.伏安特性曲线

器件的伏安特性是指流过器件的电流和器件两端施加的电压之间的函数关系。伏安特性是一切电阻型电子器件的主要特性，LED属于这一范畴，因此，伏安特性是LED主要的电学特性。LED的伏安特性曲线如图1-18所示。

伏安特性也是表征LED芯片pn结制备性能的主要参数。LED的伏安特性具有非线性、单向导电的特点，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

从图1-18中可见伏安特性曲线分为四段。

（1）正向死区 这是正向电压太低，LED还没有开始工作的状态（见图1-18中Oa段），a点对应的Va为开启电压，当V＜Va时，外加电场尚克服不了因载流子扩散而形成的势垒电场，此时R很大。开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。

（2）正向工作区 这是LED正常工作的发光状态，电流IF与外加电压呈指数关系。实际工作时，一般使其处于一种合适的状态。当然，如果正向电压很高，或者电流很大，则LED也能发光，但是，若处于超负荷高发热工作状态，则寿命将大大缩短。

（3）反向死区 当V＜0时，pn结加反向偏压，这是一种加上较小的反向电压的情形，LED反向电流很小，处于反向截止状态。

（4）反向击穿区 当V＜-VZ时，VZ称为反向击穿电压，这是反向加上一个很高的电压的情形，反向电压VR对应的IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使VR＜-VZ时，将出现IR突然增加而被击穿的现象。由于所用化合物材料种类不同，所以各种LED的反向击穿电压VZ也不同。反向击穿会对LED造成损坏。

2.几个常用的重要参数

LED的伏安特性曲线可以较为全面地分析LED的电学特性，在LED芯片制造、封装以及不同应用场合的器件选型和设计时，通常需要强调以下几个参数。

（1）正向工作电流IF正向工作电流包括以下几种情形：

1）额定工作电流IF（mA）：指在理想的线性工作区域，LED在此电流下可安全地维持正常的工作状态。一般情况下，小功率LED的额定工作电流为20mA左右。

2）最小工作电流IFL（mA）：指当小于此电流工作时，由于超出理想的线性工作区域，所以无法保证LED的正常工作状态（尤其是在一致性方面）。

3）最大容许正向电流IFH（mA）：指LED可承受的最大正向工作电流。在此电流下，LED仍可正常工作，但发热量剧增，LED的使用寿命将大大缩短。

4）最大容许正向脉冲电流IFP（mA）：指LED可承受的最大占空比的正向脉冲电流的高度。

（2）正向压降VF正向电压VF是指额定正向电流下器件两端的电压降，这个参数既与材料的禁带宽度有关，又标志了pn结的体电阻与欧姆接触电阻的高低。VF的大小一定程度上反映了电极制作的优劣。相对于20mA的正向电流，红黄光类LED的VF值约为2V，而GaN基蓝绿光类LED器件的VF值通常大于3V。

（3）反向漏电流IR反向漏电流IR是指给定的反向电压下流过器件的反向电流值，反向漏电流是器件质量好坏的敏感性指标。通常，在5V的反向电压下，反向漏电流应不大于10mA，IR过大则表明结特性较差。

（4）反向电压VR反向电压VR是指在指定反向电流下所对应的反向电压。反向击穿电压是指当反向电压大于某一值时，反向漏电电流会急剧增大。对具体器件而言，在较为严格的情况下，要求反向漏电流不大于10mA。

（5）反向击穿电压VZLED所能承受的最大反向电压，即反向电压超出此电压使用时，将导致LED反向击穿。

（6）耗散功率PDLED的耗散功率PD=IF·VF，耗散功率既是LED消耗的电功率。根据耗散功率的大小，通常把LED划分为小功率和大功率，一般以0.5～1W为分界线。

（7）发光效率ηe发光效率简称光效。光源的发光效率定义为其光通量与所消耗功率的比值，即

发光效率的单位为lm/W（流明每瓦）。

发光效率是一个反映LED综合光电性能的参数，是将外部量子效率用视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）来表示的数值。外部量子效率是指发射到LED芯片和封装外的光子个数相对于流经LED的电子个数（电流）所占的比例。组合使用蓝色LED芯片和黄色荧光粉的白光LED的外部量子效率，由相对于内部量子效率（在LED芯片发光层内发生的光子个数占流经LED芯片的电子个数（电流）的比例）、芯片的光萃取效率（将所发的光取出到LED芯片之外的比例）、荧光粉的转换效率（芯片发出的光照到荧光粉上转换为不同波长的比例）以及封装的光取出效率（由LED和荧光粉发射到封装外的光线比例）的乘积决定。

在发光层产生的光子，其中一部分或在LED芯片内被吸收，或在LED芯片内不停地反射，而出不了LED芯片。因此，外部量子效率比内部量子效率要低。发光效率为100lm/W的白光LED，其输入电能只有32%作为光能输出到了外部，剩余的68%转变为热能。

通常白炽灯与荧光灯的光效分别为15lm/W与60lm/W，灯泡的功率越大，光通量越大。对于一个性能较高的LED器件，光效为数十流明每瓦，实验室水平达到100lm/W以上。为使LED器件更快地用于照明，必须进一步提高LED器件的发光效率，目前，LED的光效可达200lm/W。人类将会迎来一个固态光源全面替代传统光源的新时代。