LED完全手冊.doc

1LED完全手冊一、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，第一個商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，通常被用在電子器具來顯示電路是否關(guān)閉或打開的指示燈,光的強弱與電流有關(guān)。透明的環(huán)氧半導(dǎo)體晶片LED環(huán)氧圍封下伸出的那兩條線或者燈泡顯示出LED應(yīng)怎樣加連接到電路,LED導(dǎo)線的負極是以兩種方法來顯示,一種是由燈泡的平面,第二種是兩條線當(dāng)中短的那條線,負極導(dǎo)線應(yīng)連接到電池負端,LED運行電壓相對很低大約只有1到4伏電壓,吸取的電流也大約只有10到40毫安.發(fā)光二極管最重要的一部分就是在燈泡中央的半導(dǎo)體晶片,晶片有兩個由接口分離的區(qū)域,P區(qū)域是由正電荷控制,而n區(qū)域是由負電荷控制,這個接口充當(dāng)了P和n電子流動的擋板,只有當(dāng)半導(dǎo)體晶片的電壓足夠時,電流才開時流動和電子穿過接口進入到P區(qū)域,什么使LED發(fā)出光和什么決定了發(fā)光二的顏色當(dāng)足夠的電壓到達晶片穿過發(fā)光二極管的導(dǎo)線,電子就非常容易的在P和N的區(qū)域穿過分隔處,在P區(qū)域正電荷比負電荷要多很多,在n區(qū)域中的電子比正電荷多,當(dāng)電壓和電流開始流動,在N區(qū)域的電子就有足夠的能源移動穿過分隔處進入P區(qū)域,由于共有的庫侖力的正負電荷之間的互相吸引P區(qū)域電子立即吸引到正電荷,當(dāng)電子足夠的移動到與P區(qū)域的正電荷的接近,這兩種電荷就重新結(jié)合每次電子和正電荷結(jié)合時,電位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍?每次正負電荷的重新結(jié)合時,電磁能的量子以半導(dǎo)體材料的頻率特性的光電形式發(fā)出(通常是鎵,砷和磷的化學(xué)元素結(jié)合)只有當(dāng)光量子在非常狹的頻率范圍內(nèi)才可以發(fā)射光不同的半導(dǎo)體材料使發(fā)光二極管發(fā)出不同的顏色和需要不同的能量去使它們變亮.發(fā)光二極管發(fā)出的能量有多少所需的電壓引起電子流動穿過P-n分隔處和電能是同恒量的,不同顏色的發(fā)光二極管發(fā)出單色的顯眼光,發(fā)光二極管發(fā)出光的能量(E)是和電子電荷(q)有關(guān)和所需的電壓(V)使發(fā)光二極管發(fā)光E=qV焦耳,這個公式簡單的說明了電壓和電能是同恒量的.恒量q是指一個單電子的電荷-1.6x10-19庫侖(電量單位)2找出來自電壓的能量假如測量流過發(fā)光二極管導(dǎo)線的電壓,你希望找出使發(fā)光二極管發(fā)出光所需的相應(yīng)能量.比如說發(fā)紅光的發(fā)光二極管和所測電壓和導(dǎo)線是1.7伏,那么使二極管發(fā)光所需的能量是E=qV或者E=-1.6x10-19(1.71)焦耳找出波長或頻率光的頻率和光的波長有關(guān)聯(lián),分光儀可以用來檢查由發(fā)光二極管發(fā)出的光和估計由LED發(fā)出光的最高峰值.但我們更喜歡檢測由LED所發(fā)出的光強度,.C是代表光的速度(3x108米每秒)而是代表由分光儀讀取的光波長(以納米或10-9米為單位).假如你從分光儀器中觀察發(fā)紅光的二極管,你會發(fā)現(xiàn)LED發(fā)出的最高的強度顏色范圍和從分光儀讀取的波長是相符合的=660nmor660x10-9m.二、LED光源的特點1.電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。2.效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%3.適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境4.穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%5.響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間為納秒級6.對環(huán)境污染：無有害金屬汞7.顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色8.價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構(gòu)成。三、單色光LED的種類及其發(fā)展歷史最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當(dāng)時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（p=650nm），在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（p=555nm），黃光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（p=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（p=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。3四、單色光LED的應(yīng)用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。五、白光LED的開發(fā)對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（p=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為25流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進口，價格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過發(fā)光效率較差。某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結(jié)構(gòu)的黃色粉，在未來較被看好的是三波長光，即以無機紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預(yù)計三波長白光LED今年有商品化的機機會。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩(wěn)定性要求也高，具體應(yīng)用方面還在探索之中。六、LED壽命的理解LED的使用壽命，一般認為在理想狀態(tài)下一般認為有10萬小時。但在實際在使用過程中其光強會隨使用時間的推移逐漸衰減，光效率逐漸降低。把光強衰減到初始光強的70%以下時定為壽命終止，就目前來說還沒有明確的國家標準用來衡量。而且LED的使用壽命與其芯片的本身的質(zhì)量及其封裝技術(shù)、工藝有直接關(guān)系，某些芯片在20mA條件下連續(xù)點亮4000小時后其光亮度衰減已達450%。但是隨著技術(shù)、工藝的提高，光衰時間越來越緩慢，即壽命也越長。七、LED的節(jié)能及可*性LED是電流控制元件，通過流過的電流，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，因其不存在摩擦損耗和機械損耗，所以在節(jié)能方面比一般的光源的效率高，但是LED光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓，它必須配置一個電壓轉(zhuǎn)換裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常工作，即LED專用電源。但是各種不同的LED電源其性能和轉(zhuǎn)換效率各不相同，所以選擇合適、高效的LED專用電源，才能真正體現(xiàn)LED光源高效特性。因為低效率的LED電源本身就需要消耗大量電能，在配合LED的使用過程中根本就體現(xiàn)不出LED的高效節(jié)能特性。而且LED電源也必須是高可*性電源，才能保證LED光源系統(tǒng)長壽命。八、LED的基本特性及使用時的注意事項1常見的LED電性能參數(shù)（1）LED正向電壓不同顏色的LED在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值，紅、黃色：1.82.5V之間，綠色和藍色：2.74.0V之間。對于同種顏色的LED，其正向壓降和光強也不是完全一致的。如下表：發(fā)光顏色外觀顏色波長D(nm)正向電壓VF亮度Iv(mcd)IF=20mAMin.Max.紅色水透明6456601.82.550300黃綠色水透明5705751.82.550300黃色水透明5855901.82.55005000藍色水透明4554752.74.05007000綠色水透明5155352.74.0200010000白色水透明-2.74.0300015000在同一電路中應(yīng)該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、光強范圍小的LED。只有這樣才能保證LED的發(fā)光效果一致。其具體的電性參數(shù)可依各封裝廠每包裝提供的產(chǎn)品分光參數(shù)標簽值。（有些公司每批分選都不一致）（2）LED的額定工作電流LED的額定電流各不相同，普通的LED電流一般為20mA，大功率的LED電流一般為40mA或350mA不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數(shù)值。一般LED在反向電壓：VR=5V的條件下，反向電流：IR10A。（3）LED的功率LED功率的大小也各不相同，有70mW、100mW、1W、2W、3W、5W等，所以必須根據(jù)所選擇的LED，設(shè)計合理的使用電路和配置合適的LED數(shù)量，5使其完全滿足LED電源的額定值，如果設(shè)計的電路使每個LED分擔(dān)電壓或電流過高就會嚴重影響LED的使用壽命甚至燒毀LED，如果分擔(dān)的電壓或電流過低則激發(fā)的LED光強不夠，就不能充分發(fā)揮LED應(yīng)有的效果，達不到我們所期望的目的。2溫度特性（1）LED的焊接溫度應(yīng)在300以下，焊接時間控制在35S之間。要注意避免LED溫度過高從而使芯片受損，焊接的位置最好在引腳卡點以外的位置。（2）LED的亮度輸出與溫度成反比