LED 基础知识100问（三）

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　　LED芯片有哪些重要参数？

　　1.正向工作电流If

　　它是指发光二极体正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。

　　2.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。发光二极体正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。

　　3.V-I特性

　　发光二极体的电压与电流的关系，在正向电压正小于某一值(叫阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。

　　4.发光强度IV

　　发光二极体的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时，则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二极管强度小，所以发光强度常用烛光(坎德拉，mcd)作单位。

　　5.LED的发光角度

　　-90°- +90°

　　6.光谱半宽度Δλ

　　它表示发光管的光谱纯度。

　　7.半值角θ1/2和视角

　　θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。

　　8.全形

　　根据LED发光立体角换算出的角度，也叫平面角。

　　9.视角

　　指LED发光的最大角度，根据视角不同，应用也不同，也叫光强角。

　　10.半形

　　法向0°与最大发光强度值/2之间的夹角。严格上来说，是最大发光强度值与最大发光强度值/2所对应的夹角。LED的封装技术导致最大发光角度并不是法向0°的光强值，引入偏差角，指得是最大发光强度对应的角度与法向0°之间的夹角。

　　11.最大正向直流电流IFm

　　允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极体。

　　12.最大反向电压VRm

　　所允许加的最大反向电压即击穿电压。超过此值，发光二极体可能被击穿损坏。

　　13.工作环境topm

　　发光二极体可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极体将不能正常工作，效率大大降低。

　　14.允许功耗Pm

　　允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。

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什么是LED的结温？它是如何产生的？

　　LED的基本结构是一个半导体的PN 结。实验指出，当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

　　窗口层衬底或结区的材料以及导电的银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻值相互垒加，构成LED的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而也会产生焦尔热，引起芯片温度或结温升高；由于LED芯片材料于周围介相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的大部分光无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质界面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。

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为什么说提高光效可降低结温？

　　通常将单位输入电功率所产生的光能称之为光电转换效率简称光效。根据能量守恒定律，LED的输入功率最终将通过光与热两种形式释放出来，光效越高放出的热量越少，LED芯片的温升就越小，这就是提高光效可降低结温的基本原理。

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如何实现LED的调光、调色？

　　由于LED的发光强度IV（或光辐射通量）与它的工作电流IF在一定电流范围内呈县性关系，即随着电流IF增大，IV也随之增大，因此，改变LED的IF，就可以改变它的发光强度，实现调光。

　　由色度学原理可以知道，如果将红、绿、蓝三原色作混合，在适当的三原色亮度比的组合下，理论上可以获得无数种色彩，这就可以用三种发光波长的LED，只要具有例如：470nm（蓝色）、525 nm（绿色）和620 nm（红色）的三种波长的LED通过点亮和IF控制，就可以实现色彩的调控，即调色。

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什么是静电破坏？

哪些类型的LED容易受静电破坏导致失效？

　　静电实际是由电荷累积构成。人们在日常生活中，特别是在干燥天气环境中，当用手去触摸门窗类物品时会感觉“触电”，这就是门窗类物品静电积累到一定程度时对人体的“放电”。对于羊毛织品、尼龙化纤物品，静电积累的电压可高达一万多伏特，电压十分高，但静电功率不大，不会威胁生命，然而对于某些电子器件却可以致命，造成器件失效。

　　LED中用GN基构成的器件，由于是宽禁带半导体材料，它的电阻率较高，对于InGaN/AlGaN/GaN的双异质结蓝色光LED，其InGaN的有源层的厚度一般只有几十纳米，再由于这种LED的两个正、负电极在芯片同一面上，之间距离很小，若两端的静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会将PN击穿，使其漏电增大，严重时PN结击穿短路，LED失效。

　　正因为存在静电威胁，对于上述结构的LED芯片和器件在加工过程中对加工厂地、机器、工具、仪器，包括员工服装均要采取防静电措施，确保不损伤LED。另外，在芯片和器件的包装上也要采用防静电材料。

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什么是LED外延片？

　　LED外延片是一块加热至适当温度的衬底基片，材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。

　　LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。

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LED外延片衬底材料选择的特点？

　　1、结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；

　　2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；

　　3、化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；

　　4、热学性能好，包括导热性好和热失配度小；

　　5、导电性好，能制成上下结构；

　　6、光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；

　　7、机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；

　　8、价格低廉；

　　9、大尺寸，一般要求直径不小于2英吋；

　　10、容易得到规则形状衬底(除非有其他特殊要求)，与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流，以至于影响外延质量；

　　11、在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。

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GaN基LED的衬底材料有哪些类型？

　　当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。

　　氮化镓（GaN）

　　用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。

　　氧化锌（ZnO）

　　ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。

　　目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

　　蓝宝石（Al2O3）

　　用于GaN生长最普遍的衬底是Al2O3。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

　　碳化硅（SiC）

　　SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前还没有第三种衬底用于GaN LED的商业化生产。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。

　　由于SiC衬底有益的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。

　　同蓝宝石相比，SiC与GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，增强了SiC作为衬底材料的竞争力。由于SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构；但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。

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白光LED有哪些实现方式？

　　目前白光LED主要通过三种型式实现：

　　1、采用红、绿、蓝三色LED组合发光，即多芯片白光LED；

　　2、采用蓝光LED芯片和黄色荧光粉，由蓝光和黄光两色互补得到白光，或用蓝光LED芯片配合红色和绿色荧光粉，由芯片发出的蓝光、荧光粉发出的红光和绿光三色混合获得白光；

　　3、 利用紫外LED芯片发出的近紫外光激发三基色荧光粉得到白光。后两种方式获得的白光LED都需要用到荧光粉，称为荧光粉转换LED（phosphor converted Light Emitting Diode，pc-LED），它与多芯片白光LED相比在控制电路、生产成本、散热等方面具有优势，在目前的LED产品市场上占主导地位。

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未完待续…

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