《LED照明基礎知識》PPT課件.ppt

1、2021/2/23,1,LED照明基礎,2021/2/23,2,LED照明基礎,內(nèi)容簡介 LED的發(fā)展史 LED的現(xiàn)況 LED的特性 LED在產(chǎn)品設計,2021/2/23,3,什么是LED,LED的全稱Light Emitting Diode,即發(fā)光二極管，是一種半導體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發(fā)生復合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED可以直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光,2021/2/23,4,照明發(fā)展史,2021/2/23,5,LED的發(fā)展史,1907年Henry Joseph Round第一次觀察到場致發(fā)光現(xiàn)象。 1936

2、年George Destiau第一場使用場致發(fā)光這個術語。 60年代初，試驗中，LED需要置放在液化氮中 第一個商業(yè)LED僅僅只能發(fā)出不可見的紅外線，但是迅速應用于感光與光電領域。 60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED 70年代中，采用雙層磷化稼能夠發(fā)出黃色光。 70年代末，LED出現(xiàn)綠色光。 90年代中，LED最終出現(xiàn)藍色光。 90年代末白光的LED開發(fā)成功 目前LED已經(jīng)可以發(fā)出紫外光。 除此以外，LED的光通量也在與日俱增，最新的實驗室數(shù)據(jù)是186lm/W,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- htt

3、p:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,6,LED發(fā)展計劃,2021/2/23,7,LED發(fā)展計劃,美國LED行業(yè)的預測,2021/2/23,8,LED發(fā)展計劃,世界各國政府LED發(fā)展計劃,2021/2/23,9,LED優(yōu)點,高光效 高節(jié)能 光源方向性好 光色多 安全性高 環(huán)保 壽命長 光源快速響應 燈具結構合理 運行成本低,http:/ ht

4、tp:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,10,LED優(yōu)點,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.

5、laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,11,LED同幾種光源的比較,LED光源在性能方面遠遠優(yōu)于其他光源,2021/2/23,12,LED同幾種光源的比較,2021/2/23,13,LED分類,LED按照發(fā)光顏色分類 紅光 橙光 綠光 藍光 白光,紅光 橙光 綠光 藍光 統(tǒng)稱為色光，主要應用在指示或裝飾方面 白光又可細分為暖白 中性白 冷白。 白光是我們照明行業(yè)主要用到的光源,http:/ http:/ http:/fangjingdia

6、ndiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,14,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ htt

7、p:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,15,白光LED產(chǎn)生-單芯片,InGaN(藍)/YAG熒光粉 這是一種目前較為成熟的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用芯片倒裝結構,提高發(fā)光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進,可將色均勻性提高10倍。實驗證明,電流和溫度的增加使LED光譜有些藍移和紅移,但對熒光光譜影響并不大。壽命實驗結果也較好 。 InGaN(藍)/紅熒光粉+綠熒光粉 色溫可達到3000K-6000K, Ra達到82-87, 。 InGaN(紫外)/(紅+綠+藍)熒光粉 此類白光LED,其Ra大于等于

8、90, 但發(fā)光效率還不夠理想,2021/2/23,16,白光LED產(chǎn)生-單芯片,2021/2/23,17,白光LED產(chǎn)生-單芯片,2021/2/23,18,白光LED產(chǎn)生-雙芯片,雙芯片可由藍 LED+黃LED、藍LED+黃綠LED以及藍綠LED+黃LED制成,此種器件成本比較便宜,但由于是兩種顏色LED形成的白光,顯色性較差,只能在顯色性要求不高的場合使用,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/

9、http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,19,白光LED產(chǎn)生-多芯片,藍色+綠色+紅色)LED 這種通過RGB方法合成白光這種方法主要的問題是綠光的轉換效率底，所以總體的效率不高。同時三種顏色的LED的正向電壓和光輸出不同，兩外它們的溫度特性和光維持特性也不相同，因而對電路的要求也比較高,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdian

10、diban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,20,白光LED產(chǎn)生-多芯片,2021/2/23,21,LED常用詞匯總結,1.光通量：發(fā)光體每秒鐘所發(fā)出的光量的總和。單位：流明（Lm），表示發(fā)光體發(fā)光的多少，發(fā)光愈多流明數(shù)愈大。 2.光 強I：發(fā)光體在特定方向單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量。單位：坎德拉（cd）。 3.照 度E：發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量。單位：勒克斯（Lux）=流明Lm/面積m2。 4.亮 度L：發(fā)光體在特定

11、方向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量。單位：尼脫（mcd）。 5.光 效：電光源將電能轉化為光的能力，以發(fā)出的光通量除以耗電量來表示。單位：每瓦流明（Lm/w）。 6.平均壽命：指一批燈至50%的數(shù)量損壞時的小時數(shù)。單位：小時（h,2021/2/23,22,LED常用詞匯總結,7.經(jīng)濟壽命：在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時數(shù)。室外的光源為70%，室內(nèi)的光源為80%。 8.色 溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，色溫在3000k以下有溫暖的感覺，達到穩(wěn)重的氣氛；色溫在3000k-5000

12、k為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000k以上有冷的感覺。單位：K。 9.顯色性：光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽能）照明時顏色的偏離能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現(xiàn)物體本來的顏色需使用顯色指數(shù)高的光源。單位：Ra。 10.眩光：視野內(nèi)有亮度極高的物體或強烈的亮度對比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質(zhì)量的重要因素,2021/2/23,23,LED特性,LED的電學特性 LED的光學特性 LED的熱特性,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/

13、 http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,24,LED電特性,LED是一個由半導體無機材料構成的單極性PN結二極管，它是半導體PN結二極管中的一種，其電壓-電流之間的關系稱為伏安特性。 LED電特性參數(shù)包括正向電流、正向電壓、反向電流和反向電壓，LED必須在合適的電流電壓驅動下才能正常工作。 通過LED電特性的測試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、電流，此外也

14、可以測定LED的最佳工作電功率,2021/2/23,25,LED電特性,I-V特性是LED芯片性能主要參數(shù)。 I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向導電性，即外加正偏壓 表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。 （1）正向死區(qū) （2）正向工作區(qū) （3）反向死區(qū) 。 （4）反向擊穿區(qū),http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiba

15、n.laminated- http:/ http:/,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,26,LED電特性,C-V特性 LED的芯片pn結面積大小不一，使其結電容也不一 C-V特性 呈現(xiàn)二次函數(shù)關系是電容與電壓的關系 最大允許功耗PF

16、m 響應時間 是LED點亮與熄滅所延遲的時間。 響應時間 主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。 LED點亮時間指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。 LED 熄滅時間指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。 不同材料制得的LED響應時間各不相同,2021/2/23,27,LED光特性,發(fā)光強度 是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90。當偏離正法向不同角度，光強也隨之變化。 發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。 發(fā)光強

17、度的角分布是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝，透鏡的材料，透鏡的曲率，芯片周圍的反光杯,2021/2/23,28,LED光特性,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,http:/ http:/ http:/fangjingdian

18、diban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,29,LED光特性,發(fā)光峰值波長及其光譜分布 LED的光譜特性參數(shù)主要包括峰值發(fā)射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。單色LED的光譜為單一波峰，特性以峰值波長和帶寬表示，而白光LED的光譜由多種單色光譜合成。 LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示，而由LED的光

19、譜功率分布還可計算得到色度參數(shù)。 LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(shù)亦隨之而定。 LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質(zhì)及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關,2021/2/23,30,LED光特性,發(fā)光峰值波長及其光譜分布 如圖 1藍光InGaN/GaN 發(fā)光譜峰p = 460465nm 2 綠光 GaP:N 發(fā)光譜峰p = 550nm 3 紅光 GaP:Zn-O 發(fā)光譜峰p = 680700nm 4 紅外GaAs 發(fā)光譜峰p = 910nm 5

20、Si光敏光電管 通常作光電接收用 6 標準鎢絲燈,2021/2/23,31,LED光特性,峰值波長：無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用p表示。只有單色光才有p波長。 譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應p-，p+之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。 主波長：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則p也就是主波長

21、。如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結溫升高而主波長偏向長波,2021/2/23,32,LED的光學特性中心波長 峰值波長 質(zhì)心波長,http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,33,LED光特性,光通量是

22、表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。 光通量為LED向各個方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關。 隨著電流增加，LED光通量隨之增大。可見光LED的光通量單位為流明（lm）。 LED向外輻射的功率光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關,2021/2/23,34,總光通量的測量積分球法,積分球法 使用積分球將使LED總 通量的測量更加簡單。 帶有兩個入射孔和一個 于探測器的出射孔 的積分 測量可對待測LED的自吸 進行修正,2021/2/23,35,2021/2/23,36,LED光特性,發(fā)光效率 LED效率有兩種 內(nèi)部效率：pn結附近由電能轉化成光能的效率。內(nèi)部

23、效率只用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性 外部效率：輻射到外部的效率。 發(fā)光效率：輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比量子效率 =發(fā)射的光子數(shù)/pn結載流子數(shù) 流明效率：LED的光通量/外加耗電功率 流明效率是評價具有外封裝LED特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。 理論計算中，最大的流明下來率為628lm/W。同此相比，LED未來的發(fā)展前景很廣闊,2021/2/23,37,LED光特性,幾種常見色光的效率對比,2021/2/23,38,LED光特性,品質(zhì)優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高 . LED向外發(fā)光僅是

24、內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應為=ice ， i向為p、n結區(qū)少子注入效率 c為在勢壘區(qū)少子與多子復合效率 e為外部出光（光取出效率）效率,2021/2/23,39,LED光特性,由于LED材料折射率很高i3.6。當芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時（無環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率,2021/2/23,40,LED光特性,如何提高外部出光效率e？ 1.用折射率較高的透明材料覆蓋在芯片表面 2.把芯片晶體表面加工成半球形 3.用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶

25、體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.42.6的低熔點玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高46倍,2021/2/23,41,LED光特性,發(fā)光亮度 亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強方向性。其正法線方向的亮度，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為cd/m2 或Nit。 LED亮度與外加電流密度有關，電流密度增加發(fā)光亮度也近似增大。 LED亮度還與環(huán)境溫度有關，環(huán)境溫度升高，復合效率下降，發(fā)光亮度減小。當環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結結溫升高，溫升后，亮度呈飽

26、和狀態(tài),http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/ http:/ http:/ http:/fangjingdiandiban.laminated- http:/ http:/,2021/2/23,42,LED光特性,老化：LED發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關。外加恒流源越大老化越快。 壽命：通常把亮度降到初始亮度一般所經(jīng)歷的時間稱為二

27、極管的壽命。 測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103 104 小時后，先后測得BO ，Bt=100010000，代入Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。 長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在e=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來35%，壽命6000h,2021/2/23,43,LED熱學特性,LED的光學參數(shù)與pn結結溫有很大的關系。一般工作在小電流IF10mA，或者1020 mA長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或p 就會向長波長

28、漂移，BO也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應專門設計散射通風裝置。 LED的主波長隨溫度關系可表示為p（ T）=0（T0）+Tg0.1nm/由式可知，每當結溫升高10，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設計尤其應注意用散熱好的燈具外殼或專門通用設備、確保LED長期工作,2021/2/23,44,LED熱學特性,LED測量的環(huán)境溫度一般為Tamb25oC。 隨著溫度的增加，LED波長的中心會發(fā)生藍移或紅移 隨著溫度的增加，LED的光強將會減小,2021/2/23,45,LED熱學特性,2021/2/23,46,LED熱學特性,2021/2/23,47,LED熱學特性,2021/2/23,48,LED熱學特性,LED散熱結構,2021/2/23,49,LED應用,照明應用,2021/2/23,50,LED應用,汽車部分：以汽車內(nèi)裝使用包括了儀表板、音箱等指示燈，及汽車外部 ( 第三剎車燈、左右尾燈、方向燈等 ) ，目前歐洲系列車種包括奧迪、寶馬、福斯等品牌全系 列采用高亮度 LED ，而車廠中，豐田汽車也率先將儀表板的背光板換成高亮度 LED ，其他各車廠新車，也在陸續(xù)采用,2021/2/23,51,LED應用,LED背光板,2021/2/23,52