LED發光原理及特性

　　(一)LED發光原理

　　發光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向?截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)複合而發光，如圖1所示。

　　假設發光是在P區中發生的，那麽注入的電子與價帶空穴直接複合而發光，或者先被發光中心捕獲後，再與空穴複合發光。除了這種發光複合外，還有些電子被非發光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲，而後再與空穴複合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的複合量相對于非發光複合量的比例越大，光量子效率越高。由于複合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近PN結面數μm以內産生。

　　理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Eg有關，即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的單位爲電子伏特(eV)。若能産生可見光(波長在380nm紫光～780nm紅光)，半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光爲紅外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。

　　(二)LED的特性

　　1

　　極限參數的意義

　　(1)允許功耗Pm：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發熱、損壞。

　　(2)最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

　　(3)最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極管可能被擊穿損壞。

　　(4)工作環境topm：發光二極管可正常工作的環境溫度範圍。低于或高于此溫度範圍，發光二極管將不能正常工作，效率大大降低。

　　2

　　電參數的意義

　　(1)光譜分布和峰值波長：某一個發光二極管所發之光並非單一波長，其波長大體按圖2所示。由圖可見，該發光管所發之光中某一波長λ0的光強最大，該波長爲峰值波長。

　　(2)發光強度IV：發光二極管的發光強度通常是指法線(對圓柱形發光管是指其軸線)方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度爲(1/683)W/sr時，則發光1坎德拉(符號爲cd)。由于一般LED的發光二強度小，所以發光強度常用坎德拉(mcd)作單位。

　　(3)光譜半寬度Δλ：它表示發光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔.

　　(4)半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發光強度值爲軸向強度值一半的方向與發光軸向(法向)的夾角。半值角的2倍爲視角(或稱半功率角)。

　　圖3給出的二只不同型號發光二極管發光強度角分布的情況。中垂線(法線)AO的坐標爲相對發光強度(即發光強度與最大發光強度的之比)。顯然，法線方向上的相對發光強度爲1，離開法線方向的角度越大，相對發光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。

　　(5)正向工作電流If：它是指發光二極管正常發光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。

　　(6)正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。

　　(7)V-I特性：發光二極管的電壓與電流的關系可用圖4表示。在正向電壓正小于某一值(叫阈值)時，電流極小，不發光。當電壓超過某一值後，正向電流隨電壓迅速增加，發光。由V-I曲線可以得出發光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數。正向的發光管反向漏電流IR<10μA以下。

　　發光二極管(LED)特性及電路應用

　　发光二极管(Light Emitting Diode)简称LED，是一种将电信号转化为光信号的半导体器件，且具备二极管的电子特性。

　　1.LED工作原理

　　以磷化镓或砷化镓等化合物半導體材料制成的二極管，內部流過電流，PN結導通後，電子與空穴複合時能輻射出可見光，以此制成發光二極管。

　　發光二極管具有節能、體積小、抗震性好、環保、壽命長、光色多樣、響應等優點，廣泛應用于照明、汽車、交通、廣告牌、儀表指示燈等領域。

　　LED電路符號

　　2.LED的分類

　　發光二極管按結構封裝可以分爲貼片式和直插式

　　貼片式：0603、0805、1210、3528，5050、5730等。

　　直插式：3mm、5mm、8mm、10mm等。

　　貼片LED和直插LED

　　1998年利用紅、綠、藍三種LED制成白光LED，是進入照明領域的裏程碑事件

　　此外，還可以按照光照角度分爲：高指向型、標准型、散射型。

　　高指向型：一般爲尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角爲5°～20°或更小，具有很高的指向性。

　　標准型：通常作指示燈用，其半值角爲20°～45°。

　　散射型：這是視角較大的指示燈，半值角爲45°～90°或更大，散射劑的量較大。

　　3.LED電路應用

　　一般發光二極管壓降爲2V左右，標稱工作電流爲5-20mA，過流則會損壞，所以使用LED時都需要加一個限流電阻，起保護二極管和提供電流的作用。

　　限流電阻的阻值計算：R>(U-2V)/20mA;

　　注：發光二極管的燈光是線性的，實際上幾十微安的電流就可以點亮LED，在對亮度沒有特殊要求的場合，如僅作指示燈用，出于産品功耗考慮，可以增大限流電阻，工作電流低于5mA沒有問題，並且電流越小LED燈越耐用。

　　直流電源指示燈

　　交流電源指示燈

　　雙色燈指示電路

　　家用LED照明應用：BP2861X系列恒流驅動芯片典型電路

　　LED光電性能檢測

　　LED光性能檢測

　　光通量

　　方法1 积分球光谱辐射计

　　參考標准:

　　CIE84:1989《光通量的測量》

　　IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

　　方法2 分布光度计

　　參考標准：

　　CIE84:1989《光通量的測量》

　　IESNA LM 79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

　　測試項目：

　　光束角 | 环带光 | 通峰值波长 | 色坐标 | 光效能 | 光谱功率分布 | 光通维持 | 色容差 | 光通量 | 色差 | 显色指数

　　光強分布(配光曲線)

　　方法 分布光度计

　　參考標准：

　　IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测至》

　　CIE 121 : 1998 《灯具光度学和分布光度学》

　　CIE 043 : 1979 《投光灯光度测试》

　　GB/T 9468-2008 灯具分布光度测量的一般要求

　　GB/T 7002: 2008 投光照明灯具光度测试

　　測試項目：

　　灯具能效 | 灯具光强分布 | 室内灯具概算曲线 | 总光通量 | 平面等照度曲线 | 矩形等光强曲线 | 光束角 | 亮度限制曲线 | 等光强分布曲线 | 环带光通 | 圆形等光曲线

　　色度測試

　　方法1 积分球光谱辐射计

　　參考標准：

　　IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

　　CIElS:2004 《色度学》

　　CIE13.3:1995 《光源显色性评价》

　　方法2 分布光谱辐射计

　　參考標准：

　　IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

　　CIElS : 2004 《色度学》

　　CTE13.3 : 1995 《光源显色性评价》

　　測試項目：

　　平均颜色不均匀性 | 颜色宽容量(色容差) | 显色指数 | 色坐标 | 颜色空间不均匀性 | 最大颜色不均匀性 | 相关色温 | 色差漂移 | 色容差

　　LED電氣特性

　　1.3 LED的电气特性

　　要用好LED，最基本的出發點是了解LED的電氣特性。LED是由半導體PN結構成的電致發光元件，在發光的同時，它也像其他電子元件一樣表現出固有的伏安特性，了解LED的電壓和電流關系，才能爲LED設計適當的驅動電路爲其提供符合要求的電路工作環境。

　　1.3.1伏安特性

　　LED具有類似普通二極管的伏安特性曲線，如圖1.5所示。

　　图1.5 LED的伏安特性曲线

　　由圖可知，LED具有以下幾個顯著的電氣特性

　　(1)單向導電性。只有正向偏置才能導通。

　　(2)具有一定的開啓電壓。LED的開啓電壓與LED發光的顔色有關，在可見光範圍內，LED發光的波長越長開啓電壓越低，例如：紅色約爲1.8~2.0V，藍色約爲2.6~3.2V，綠色介于兩者中間，由于顔色的定義不夠准確，測試中通常使用波長來區分。這裏需要指出的是，同一波長同一批次的LED也會因爲生産工藝等原因而存在一定的分散性，評價LED質量其中一個指標是相同功率等級的LED其開啓電壓(工作電壓)越低越好，這是因爲相同的功率電壓越低則電流越大，LED的亮度越高。

　　(3)工作區內電流相對于電壓的變化較敏感。這就意味著很小的電壓波動會引起很明顯的電流變化，從而造成亮度的波動，是LED應用過程中特別要注意的一個特性，因此低頻的亮度波動會造成忽明忽暗的感覺，影響照明質量。

　　(4)反向擊穿電壓較低。LED的反向擊穿電壓一般在幾伏到幾十伏之間，在使用時要注意電路不能出現超過限值的反向電壓，否則會擊穿LED。

　　(5)溫度漂移特性。LED具有PN結普遍的溫度漂移特性，也就是說LED的伏安特性曲線並不是固定不變的，當PN結的溫度升高時，其伏安特性曲線會向左移，如圖1.6所示。

　　图1.6 LED伏安特性随温度漂移

　　1.3.2 LED的电致失效方式

　　(1)LED正常工作時，消耗的電功率大部分轉化爲熱(70%以上)，溫度上升，電流越大溫度越高，若電流不加限制，溫度達到一定程序就會使LED過熱燒毀，這種損壞表現爲LED斷路，通常伴有燒焦的氣味和痕迹。

　　(2)若LED的反向電壓高于額定的擊穿電壓，則LED會被反向擊穿，這種擊穿是不可恢複的，內部PN結瞬間被破壞，失去單向導電的特性。與過熱損壞不同的是，這種擊穿的速度很快，因此一定要嚴格控制反向電壓，留有足夠的余量，必要時要采取鉗位措施，以避免突發的高壓脈沖造成LED擊穿損壞。LED反向擊穿的表現爲LED短路，若不能及時排除故障，也有可能因短路而進一步變成斷路。

　　根據溫度漂移特性，伏安特性曲線左移，若保持工作電壓不變，則電流上升，如圖1.6所示，保持VF不變，IF3>IF2>IF1，而電流的增加又反過使溫度進一步升高，造成惡性循環，如果不加限制，則LED會過熱損壞。

　　1.4 LED的驱动

　　LED的驅動一般有兩種方式，即穩壓驅動和恒流驅動，但無論采用哪一種，還是兩種組合使用，都需要根據LED的電氣特性進行選擇和設計，才能滿足LED正常發光的條件，同時保持LED穩定、安全、可靠地工作。LED驅動時要注意以下幾點：

　　注意極性。LED是有極性的元件，正向偏置才能正常發光。

　　提供足夠的工作電壓。LED正向電壓必須超過開啓電壓才能開始發光，達到額定電壓時發光亮度才能達到標稱的輸出光通量。

　　限制反向電壓。要注意電路中是否出現反向電壓的情況，比如交流電路、開關電源中的變壓器或電感器産生的反向感生電動勢都會對LED産生反向電壓，必要時要對這些電壓進行鉗位吸收，避免LED反向擊穿。

　　由于LED對電壓變化敏感，很難對其工作電壓進行控制，因此盡量不要使用穩壓電源直接驅動LED(因爲穩壓電源輸出電壓的穩定性有一定精度，允許有一定的波動)，如果非用不可，必須采取措施限制LED的電流，或設法降低LED電流對電壓變化的敏感度(減小伏安特性曲線工作區的斜率)。

　　(1)LED的亮度與電流正相關，要使亮度恒度不變，建議采用高質量的恒流驅動電路。

　　(2)LED的工作電流不能超過額定值，留有足夠余量，並且注意LED的溫度，做好散熱設計，保持相對低的工作溫度減緩LED光衰，增加LED使用壽命最重要的條件之一。

　　LED顯示屏光電性能

　　LED顯示屏光電性能介绍

　　2019-08-29 13:58·金融界

　　光电性能对于LED产品尤为重要,那么大家是否了解 LED显示屏产品有哪些光电性能呢?下面跟小编一起来学习一下LED产品光电性能有哪些测试标准。

　　1.電特性

　　LED的電特性參數包括正向電流、正向電壓、反向電流以及反向電壓,該項測試一般是利用電壓電流表進行測試,在恒流恒壓源供電情況下。通過LED電特性的測試可獲得最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、電流這些參數,此外,還可以獲得LED的最佳工作電功率值。

　　2.光特性

　　主要包括光通量和光效、光強和光強分布特性以及光譜參數。

　　光通量和光效:通常有兩種方法,爲積分球法和變角光度計法。雖然後者的測試結果最爲精確,但因耗時較長,一般采用前者。在用積分球法進行測試時,可以將被測LED放置在球心,也可以放置在球壁。測得光通量之後,配合電參數測試儀就可以測得LED的發光效率,也就是光效。

　　光強和光強分布特性:LED顯示屏由于光強分布是不一致的,所以它的測試結果隨測試距離和探測器孔徑的大小變化而變化,可以讓各個LED在同一條件下進行光強測試與評價,這樣結果比較准確。

　　光譜參數:主要包括峰值發射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示,通過光譜功率分布,還可以得到色度參數。一般光譜功率分布的測試需要通過分光進行,將混合光中的單色光逐一區分出來進行測定,可采用棱鏡和光柵實現分光。

　　3.開關特性

　　是指LED通電和斷電瞬間的光、電、色變化特性,通過這項測試可以得到LED在通斷電瞬間工作狀態、物質屬性等變化規律,從而了解通斷電對LED的損耗。

　　4.顔色特性

　　主要有色品坐標、主波長、色純度、色溫和顯色性等,測試方法有分光光度法和積分法。

　　分光光度法:通過單色儀分光測得LED光譜功率分布,然後利用色度加權函數積分獲得對應的色度參數。

　　積分法:利用特定濾色片配合光電探測器直接測得色度參數。

　　5.熱學特性

　　也指熱阻和結溫,熱阻是指沿熱流通道上的溫度差與通道上耗散的功率之比,結溫是指LED的PN結溫度。LED結溫的測試方法有兩種,一種是采用紅外測溫顯微鏡或微型熱偶測得LED芯片的表面溫度,另一種是利用確定電流下的正向偏壓與結溫之間反比變化的關系來判定LED的結溫。