文档介绍：LED的特性研究
摘要:发光二极管是一种半导体发光器件,本实验主要研究发光二极管的伏安特性、光电转换效率、光谱特性和光强空间分布特性,对发光二极管有个全面的基本认识。
关键词:发光二极管;伏安特性;光谱特性;光电转换效率;半值角
Abstract:Light emitting diode, is a luminous semiconductor. In this experiment, we mainly research the volt-ampere characteristics, electro-optical efficiency, spectral characteristics, and the characteristic of light intensity’s spatial distribution to get a total understanding of light emitting diode.
Key words:light emitting diode; volt-ampere characteristics; spectral characteristics; electro-optical efficiency; half-value angle
引言
LED,即Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写,它是一种半导体发光
器件,由于其能耗低、寿命长等特点,现多用于照明、显示屏等场合。本实验要求对LED的电学和光学的特性进行研究。
实验原理
LED是利用半导体PN结或类似结构把电能装换成光能的的器件,LED芯片通常用Ⅲ-Ⅴ族化合物(如GaAs、GaP或GaN等)材料作衬底,其核心是PN结。高纯半导体材料的电阻率很高,如果在里面进行掺杂,就能改变其导电性,例如,在Ⅴ族元素硅中掺杂V族元素***,就形成导带中具有电子的N型材料:在硅中掺入Ⅲ族元素镓,就能形成价带中有空穴的P型材料:若在硅晶体中一般掺杂***,另一半掺杂镓,则在两半之间的边界上形成一个PN结。跨过此PN结,电子从N型材料扩散到P区,而空穴则从P型材料扩散到N区,如图1所示。这种发光也称为注入式发光,这个过程被称为无辐射过程。
图 1 LED的工作原理
为了提高LED的发光效率,应尽量减小产生无辐射复合中心的晶格缺陷和杂质浓度,减少无辐射复合过程。虽然不同材料制备的LED芯片结构不同,发出的光色和发光情况,但基本原理相近。
LED因其使用的材料不同,其中电子和空穴所占的能级也有所不同,能级的高低差影响电子和空穴复合后光子的能量,从而产生不同波长的光,其大小与半导体材料的禁带宽度有关。而且两者近似满足关系式:
λ≈hcEg
其中A为发射光的波长,E 为禁带宽度,h为普朗克常量,。
图 1 LED的工作原理
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传统的LED的基本结构如图2(a)所示。LED芯片被固定在导电、导热的带两根引线的金属支架上,有反射杯的引线为阴极,另一根引线为阳极。芯片外围封以环氧树脂(帽),一方面可以保护芯片, 另一方面起聚光作用。
图2 LED及其芯片结构
LED芯片是LED器件的核心,其结构如图2(b)所示。LED芯片为分层
结构:芯片两端是金属电极;底部为衬底材料;当中是由P型层和N型层构成的PN结;发光层被夹在P型层和N型层之间,是发光的核心区域。P型层、N型层和发光层是利用特殊的外延生长工艺在衬底上制得的。在芯片工作时,P型层和N型层分别提供发光所需要的空穴和电子,它们被注入到发光层发生复合而产生光。
LED的图形符号如图 3 所示
图 3 LED的图形符号
LED的电学特征参数主要包括正向电流IF,正向电压VF,反向电流IR和最大反向电压VR,这是衡量一个LED是否能够正常工作的最基本的判据。从电参数方面来看,正向工作电流是发光二极管正常发光时的正向电流值,LED必须是在P-N结正向偏置的条件下工作,这时的出射光的能量是正向电压V和正向电流I的函数,而且LED的光辐射主要取决于通过P-N结的电流,但LED的P-N结中的过大的电流密度会引起部分过热从而破坏LED管芯的晶格结构,超过最大结温,会造成LED毁损的灾难性的后果,因而必须限制通过LED的驱动电流。
正向工作电压是在给定正向工作电流情况下得到的器件的电压值。最大反向电压VRm为器件允许加的最大反向电压,超过此值,器件可能被击穿。
LED是利用半导体材料制成p-n结发光器件,电学特性是衡量LED性能的主要物理量,它包括正向电压、反向饱和电流以及伏