Electrical indicators of LED
1. LED current-voltage characteristic diagram
Figure 1 shows the current-voltage (IV) characteristic diagram of LED operation. Light-emitting diodes have input volt-ampere characteristic curves similar to those of general semiconductor triodes. We describe each segment shown in the figure separately.
Figure 1 Current-voltage characteristic diagram of LED operation
OA segment: forward dead zone
VA is the voltage at which the LED is turned on. The turn-on voltage of red (yellow) LEDs is generally 0.2~0.25V, and the turn-on voltage of green (blue) LEDs is generally 0.3~0.35V.
Section AB: Workspace
In this section, generally, as the voltage increases, the current also increases, and the luminous brightness also increases. But in this section, special attention should be paid. If no protection is added, when the forward voltage increases to a certain value, the forward voltage of the light-emitting diode will decrease, and the forward current will increase. If there is no protection circuit, the LED will burn out due to the increased current.
OC segment: reverse dead zone
The light-emitting diode does not emit light (doesn't work) when reverse voltage is applied, but there is reverse current. This reverse current is usually small, usually within a few μA. In 1990~1995, the reverse current was set at 10μA, and in 1995~2000, it was 5μA; at present, it is generally below 3μA, but basically 0μA.
CD segment: reverse breakdown region
The reverse voltage of the light-emitting diode should generally not exceed 10V, and the maximum should not exceed 15V. If this voltage is exceeded, reverse breakdown will occur, causing the LED to be scrapped.
2. Electrical indicators of LED
For LED devices, the commonly used electrical indicators are as follows:
·Forward voltage VF: The forward voltage when the LED forward current is 20mA.
·Forward current IF: For low-power LEDs, it is currently set at 20mA, which is the normal operating current of low-power LEDs. However, high-power LED chips have appeared at present, so the IF must determine the forward operating current according to the specifications of the chip.
·Reverse leakage current IR: According to the conventional regulations of LED, it refers to the reverse leakage current when the reverse voltage is 5V. As mentioned above, with the improvement of the performance of light-emitting diodes, the reverse leakage current will become smaller and smaller, but high-power LED chips have not yet been clearly specified.
·Dissipated power PD during operation: that is, the forward current multiplied by the forward voltage.
3. Limit parameters of LED
For LED devices, the commonly used limit parameters are as follows:
·Maximum allowable power dissipation Pmax=IFH×VFH: generally according to the rated power when the ambient temperature is 25℃. When the ambient temperature increases, the maximum allowable power dissipation of the LED will decrease.
·最大允许工作电流IFM：由最大允许耗散功率来确定。参考一般的技术手册中给出的工作电流范围，最好在使用时不要用到最大工作电流。要根据散热条件来确定，一般只用到最大电流IFM的60%为好。
·最大允许正向脉冲电流IFP：一般是由占空比与脉冲重复频率来确定。LED工作于脉冲状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节，例如LED显示屏就是利用这个手段来调节亮度的。
·反向击穿电压VR：一般要求反向电流为指定值的情况下可测试反向电压VR，反向电流一般为5~100μA之间。反向击穿电压通常不能超过20V，在设计电路时，一定要确定加到LED的反向电压不要超过20V。
4、 LED的其他电学参数
在高频电路中使用LED时，还要考虑以下两个因素：
·结电容Cj
·响应时间：上升时间tr，下降时间t f
当LED接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间，否则LED无法正常工作。
LED原理及应用介绍之一2009年02月06日 星期五 17:03一、LED原理、原材料组成及生产工艺
1，LED原理。LED是Light Emitting Diode即发光二极管的缩写，最早于1962年由GE（General Electric Company）研究人员Nick Holonyak Jr.发明。其I-V特性与普通二极管比较类似，所不同的是其内部PN结具有发光特性。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，即PN结。当PN结导通时，两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向PN结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的方式释放出能量，即辐射发光。任何二极管都会有此发光的特性（通常非可见光且发光效率非常低），不同的是发光二极管通过使用特殊的材料、特殊的工艺，使得PN结发光的效率提高，发光的频率一致，从而得到可使用的特定频率的光。通常所说的LED是指能发出可见光的发光二极管。
2，LED组成结构及原材料。以普通直插式LED为例（如仪表上所用的LED指示灯），通常LED由以下几部分组成：支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂外壳等。其中支架主要起导电和支撑LED的作用，不同的LED使用的支架种类也不一样；银胶的作用主要是固定晶片以及导电，晶片是由能发光的半导体材料组成，是LED最核心的部分，晶片基本上决定了整颗LED的特性；金线的作用是连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。环氧树脂的作用：保护LED的内部结构，可稍微改变LED的发光颜色、亮度及角度。如下图：
LED晶片又被称为Ⅲ-Ⅴ族晶片，主要是因为其成份是化学元素周期表上的Ⅲ族Ⅴ族的元素。Ⅲ族元素为P型材料，Ⅴ族元素为N型材料，芯片的材料主要是Ⅲ族，Ⅴ族元素的化合物，如磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝化镓（GaAlAs）氮化镓（GaN）。
另外，对于大功率LED（如LED路灯、LED背光模组等），其内部要复杂一些，因为大的驱动电流必然会产生高的结温，故需要有相应的散热措施来保证LED的正常工作；而且大功率LED所用到的材料及内部结构也与普通LED有相当的差异。
3．LED的生产过程。业界通常把LED的产业链划分为三个层次：上游厂商负责生产单晶片、磊晶片等；中游厂商负责生产将晶片制作成可使用的晶粒；而下游厂商则将晶粒进行封装，生产出完整可用的LED。
晶片的生产，以As晶片为例，其生产过程如下：
因使用者通常是从LED下游厂商买到LED，故LED下游厂商的封装能力、工艺直接影响到LED的品质，LED封装流程如下：
a, 固晶：将银胶点在支架碗内，再将晶片放入碗中，利用银胶将晶片和支架粘在一起，然后放入烤箱将银胶烘烤干。
b,焊线：将固晶好的材料放在焊线机上，将金线焊在晶线上方及第二焊点处，使阴阳极可导。如果焊线不牢，在运输及使用过程中可能导致金线脱落，从而使得LED不能正常发光。
c,封胶：将Epoxy胶充分混合后，灌入模粒中，再将固晶焊线好之支架插入模粒中，一起放入烤箱烘烤，将Epoxy烤干。因LED中的晶片对潮湿非常敏感，所以烘烤过程中一定要保证将湿气完全烘出。烘烤不完全的LED，极有可能在生产现场或用户使用早期就发生故障。
d,离模：将胶焊干之支架从模粒中脱离出来。
e,切单颗：将离模之支架切成一颗一颗的LED成品，至此LED制造完成。
整个生产过程须完全保证ESD、EOS、潮湿、烟尘的防护。
一、LED常见参数
1. 正向工作电流If（Forward Current）
If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED，其允许流过的最大电流也会不一样，在实际应用中通常选择If=0.6*Ifmax，须留有一定的余量。
2. 正向脉冲工作电流Ifp（Peak Forward Current）
Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED，通常LED规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电流来计算的。
3. 正向工作电压Vf（Forward Voltage）
Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以If=20mA来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也会不一样。
4. V-I特性（V-I curve）
LED通过的电压与电流的关系曲线。LED的V-I特性与普通二极管类似，在正向电压小于阈值时，正向电流极小，LED不发光；当电压超过阈值，正向电流就会迅速增加，相比普通二极管，LED的V-I曲线要陡一些。
5. 反向电压Vr（Reverse Voltage ）
是指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。在使用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。
6. 反向电流Ir（Reverse Current）
通常指在最大反向电压情况下，流过LED的反向电流。
7. 允许功耗Pdm（Maximum Power Dissipation）
LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED。
8. 工作温度Topr（Operating Temperature）
LED能正常工作的温度范围。使用者要注意根据使用环境的不同来选用不同工作温度的LED。
9. 发光强度Iv（Luminous Intensity ）
LED的发光强度通常是指法线方向（对柱形LED是指其轴线方向）的发光强度。若在该方向上的发光强度为(1/683)W/sr时，则发光强度为1坎德拉(cd)。由于LED发光强度一般较小，故常用单位为烛光(mcd)。
10. 半值角θ1/2（Half Angle）
LED的发光强度会随着角度的偏离而减弱。当光强减弱到法线方向的一半时，此方向与法线的夹角即为半值角。通常半值角是对称的。
11. 视角（Viewing Angle）
通常视角定义为2θ1/2。
12. 中心波长λp（Peak Wave Length）
是指LED所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色LED，会有几个不同的中心波长值。
13. 半值波长Δλ（Spectral Line Half-width）
因LED所发光的光并非只有单一波长，而是一个波段。当特定波长的光强度为中心波长光强度一半时，其相差的波长区间即为Δλ。
一、LED应用
1. 驱动电路
普通的小功率LED通常用作状态指示。对于LED而言，长时间的直流偏压，会影响LED的寿命和性能，所以通常应采用脉冲驱动的方式来供电。但从DSP或MCU出来的信号电流通常很微弱，难以驱动LED发光，所以通常要放大电路，将信号放大后来驱动LED发光。对于不同的LED，工作电流及正向压降会有所不同，电路中所选取的器件也要相应改变。如下：
对于大功率LED，驱动电路要复杂一些。如照明LED，需要采用特定的供电电路来给LED供电，同时需要相应的ESD及EOS防护措施。而诸如LED发光模组，则需要相应的驱动芯片来产生驱动信号，再经由放大电路送入LED，使之发光。
2. 使用环境
LED是湿敏及静电敏感元器件，包装、运输及使用过程中都须注意防潮及防静电。如贴片式LED须要求用防静电真空袋包装，拆封后尽快使用。温度对LED也有很大的温度，通常随着温度的升高，LED所能承受的正向电流值会逐步下降，所以在选取LED时，要注意产品的工作环境温度，留出足够的余量。
3. 选型
首先要确定所要选用的LED发光颜色及亮度。对颜色要求比较严格的应有相应的颜色测试，不同厂商出产的同色LED虽然中心波长相近，但由于制造工艺、封装外壳材质等的影响，颜色上可能会呈现一些小的差异。不同颜色的LED，对亮度的要求也不一样。如红色LED，达到一定亮度后，色泽可能已经饱和，再增加亮度已无必要；而绿色LED，则很少会有饱和的问题。
其次是确定工作电压/电流/功率等电气参数。电气特性直接影响到应用电路，电路所提供的工作电流/功率/使用温度，都应留有一定的余量，应尽量采用脉冲方式驱动。对于可视角要求比较高的应用场合，应选用可视角较大的LED。
二、LED产业发展历程及相关企业背景
LED所用半导体材料实际在20世纪初就被发现，但实际可用的LED最早是由GE公司研究人员Nick Holonyak Jr.( 尼克?何伦亚克)于1962年发明，当时所用的材料为GaAsP，发红光（λp=650nm）。到20世纪70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm）。到1996年，日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED，LED光谱得以健全，此后LED产业步入高速发展的轨道。
发展到现在，LED已不单局限在小功率指示和照明范围内，随着技术水平的提高，以其节能环保长寿命发光效率高的特性，在家用照明、汽车尾灯、路灯、灯饰、背光模组、多媒体显示等领域都有高速的发展。
前面也有提到，按照LED的构成及生产环节，通常将LED产业链划分为上、中、下游三部分。上游产品主要为单晶片；中游产品主要为晶粒；下流产品即为封装好的LED。
目前上游晶片主要为欧美日企业所掌控，如美国Cree、Lumileds、GelCore，日本Nichia、ToyodaGosei，德国Osram。韩国及台湾厂商主要在中低端晶片部分进行竞争。
日美这些企业几乎掌握了上游产业大部分的专利技术，代表了整个LED产业的最高水平。日亚化学(Nichia)和丰田合成(ToyodaGosei)在LED发展中占有重要地位，都形成了LED完整的产业链，其中日亚化学1994年第一个生产出蓝光芯片，并在专利技术方面具有垄断优势；Cree、GelCore等都有自己成熟的技术体系，但其在产业链上只集中在外延和芯片的制备上；Lumileds则关注于大功率LED的研发，在白光照明领域实力雄厚。
上、中游产业部分，日本企业几乎占据了全球LED产能的一半。除此之外，韩国及台湾地区的企业也有相当的实力。如Samsung、晶电、杰圆、元砷、光磊等厂商。
而下游产业，特别是小功率LED，台湾地区封装产量最高，占到世界的60%以上，并且还在不断增长之中。其中代表性的企业有：亿光、佰鸿、华兴等。
1. 驱动电路
普通的小功率LED通常用作状态指示。对于LED而言，长时间的直流偏压，会影响LED的寿命和性能，所以通常应采用脉冲驱动的方式来供电。但从DSP或MCU出来的信号电流通常很微弱，难以驱动LED发光，所以通常要放大电路，将信号放大后来驱动LED发光。对于不同的LED，工作电流及正向压降会有所不同，电路中所选取的器件也要相应改变。如下：
对于大功率LED，驱动电路要复杂一些。如照明LED，需要采用特定的供电电路来给LED供电，同时需要相应的ESD及EOS防护措施。而诸如LED发光模组，则需要相应的驱动芯片来产生驱动信号，再经由放大电路送入LED，使之发光。
2. 使用环境
LED是湿敏及静电敏感元器件，包装、运输及使用过程中都须注意防潮及防静电。如贴片式LED须要求用防静电真空袋包装，拆封后尽快使用。温度对LED也有很大的温度，通常随着温度的升高，LED所能承受的正向电流值会逐步下降，所以在选取LED时，要注意产品的工作环境温度，留出足够的余量。
3. 选型
首先要确定所要选用的LED发光颜色及亮度。对颜色要求比较严格的应有相应的颜色测试，不同厂商出产的同色LED虽然中心波长相近，但由于制造工艺、封装外壳材质等的影响，颜色上可能会呈现一些小的差异。不同颜色的LED，对亮度的要求也不一样。如红色LED，达到一定亮度后，色泽可能已经饱和，再增加亮度已无必要；而绿色LED，则很少会有饱和的问题。
其次是确定工作电压/电流/功率等电气参数。电气特性直接影响到应用电路，电路所提供的工作电流/功率/使用温度，都应留有一定的余量，应尽量采用脉冲方式驱动。对于可视角要求比较高的应用场合，应选用可视角较大的LED。
二、LED产业发展历程及相关企业背景
LED所用半导体材料实际在20世纪初就被发现，但实际可用的LED最早是由GE公司研究人员Nick Holonyak Jr.( 尼克?何伦亚克)于1962年发明，当时所用的材料为GaAsP，发红光（λp=650nm）。到20世纪70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm）。到1996年，日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED，LED光谱得以健全，此后LED产业步入高速发展的轨道。
发展到现在，LED已不单局限在小功率指示和照明范围内，随着技术水平的提高，以其节能环保长寿命发光效率高的特性，在家用照明、汽车尾灯、路灯、灯饰、背光模组、多媒体显示等领域都有高速的发展。
前面也有提到，按照LED的构成及生产环节，通常将LED产业链划分为上、中、下游三部分。上游产品主要为单晶片；中游产品主要为晶粒；下流产品即为封装好的LED。
At present, upstream chips are mainly controlled by European, American and Japanese companies, such as Cree, Lumileds, GelCore in the United States, Nichia and Toyoda Gosei in Japan, and Osram in Germany. Korean and Taiwanese manufacturers mainly compete in the mid-to-low-end chip segment.
These companies in Japan and the United States have almost mastered most of the patented technologies in the upstream industry, representing the highest level of the entire LED industry. Nichia and Toyoda Gosei play an important role in the development of LEDs and have formed a complete LED industry chain. Nichia was the first to produce blue light chips in 1994 and has a monopoly on patented technology. Advantages; Cree, GelCore, etc. have their own mature technology systems, but they only focus on epitaxy and chip preparation in the industrial chain; Lumileds focuses on the research and development of high-power LEDs, and has strong strength in the field of white light lighting.
In the upstream and midstream industries, Japanese companies account for almost half of the global LED production capacity. In addition, companies from South Korea and Taiwan also have considerable strength. Such as Samsung, Epistar, Jieyuan, Yuanarsenic, Guanglei and other manufacturers.
In the downstream industries, especially low-power LEDs, Taiwan's packaging output is the highest, accounting for more than 60% of the world's total, and it is still growing. The representative enterprises are: Everlight, Baihong, Huaxing and so on.