LED發(fā)光原理及牲

1、第二第二章章 LED的發(fā)光原理的發(fā)光原理 及特牲及特牲 LED的發(fā)光原理的發(fā)光原理 LED的光、色、電特性的光、色、電特性 LED的種類的種類 LED的特點的特點 白光白光LED的實現(xiàn)的實現(xiàn) LED是“l(fā)ight emitting diode”的英文縮寫。 中文名:發(fā)光二極管。 LED是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的固體電致發(fā)光(EL) 半導(dǎo)體器件。 LED實質(zhì)性核心結(jié)構(gòu)是由元素譜中的-族或-族化合物材料構(gòu)成的p-n結(jié)。物體的物體的發(fā)光方式發(fā)光方式冷光熱光：又叫熱輻射，是指物質(zhì)在高溫下發(fā)：又叫熱輻射，是指物質(zhì)在高溫下發(fā)出的光。出的光。：某種能源在較低溫度時所發(fā)：某種能源在較低溫度時所發(fā)出的光。發(fā)冷光時

2、，某個原出的光。發(fā)冷光時，某個原子的一個電子受外力作用從子的一個電子受外力作用從基態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)。由基態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)。由于這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，該于這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，該電子通常以光的形式將能量電子通常以光的形式將能量釋放出來，回到基態(tài)。釋放出來，回到基態(tài)。白熾燈：當(dāng)鎢絲在真白熾燈：當(dāng)鎢絲在真空或是惰性氣體中加空或是惰性氣體中加熱至很高的溫度，就熱至很高的溫度，就會發(fā)出白光。會發(fā)出白光。生物發(fā)光：螢火蟲生物發(fā)光：螢火蟲化學(xué)發(fā)光：熒光粉化學(xué)發(fā)光：熒光粉陰極射線發(fā)光：熒光燈、陰極射線發(fā)光：熒光燈、 金鹵燈金鹵燈場致發(fā)光：無極燈場致發(fā)光：無極燈電致發(fā)光：電致發(fā)光：LEDLED 電致發(fā)光原理：電

3、場的作用激發(fā)電子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，當(dāng)這些電子從高能態(tài)回到低能態(tài)的時候，根據(jù)能量守恒原理，多余的能量將以光的形式釋放出來。 LED發(fā)光原理：電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光子的形式釋放。LED發(fā)光原理圖1。電子遷移率比空穴大得多。2。N區(qū)的電子注入P區(qū)速度小，躍遷到價帶與注入和空穴復(fù)合，發(fā)射出由N型半導(dǎo)體能量所有決定的光。LED大都采用直接躍遷材料：大都采用直接躍遷材料：直接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體材料就是導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)帶底）和滿帶最大值在直接帶隙半導(dǎo)體材料就是導(dǎo)帶最小值（導(dǎo)帶底）和滿帶最大值在k空空間中同一位置。電子要躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半滿間中

4、同一位置。電子要躍遷到導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。能帶）只需要吸收能量。 直接帶隙半導(dǎo)體（直接帶隙半導(dǎo)體（Direct gap semiconductor）的例子：）的例子：GaAs、InP半導(dǎo)體。相反，半導(dǎo)體。相反，Si、Ge是間接帶隙半導(dǎo)體。是間接帶隙半導(dǎo)體。 直接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì)：當(dāng)價帶電子往導(dǎo)帶躍遷時，電子波矢不直接帶隙半導(dǎo)體的重要性質(zhì)：當(dāng)價帶電子往導(dǎo)帶躍遷時，電子波矢不變，在能帶圖上即是豎直地躍遷，這就意味著電子在躍遷過程中，動量變，在能帶圖上即是豎直地躍遷，這就意味著電子在躍遷過程中，動量可保持不變可保持不變滿足動量守恒定律。相反，如果導(dǎo)帶電子下落

5、到價帶滿足動量守恒定律。相反，如果導(dǎo)帶電子下落到價帶（即電子與空穴復(fù)合）時，也可以保持動量不變（即電子與空穴復(fù)合）時，也可以保持動量不變直接復(fù)合，即電子直接復(fù)合，即電子與空穴只要一相遇就會發(fā)生復(fù)合（不需要聲子來接受或提供動量）。因與空穴只要一相遇就會發(fā)生復(fù)合（不需要聲子來接受或提供動量）。因此，直接帶隙半導(dǎo)體中載流子的壽命必將很短；同時，這種直接復(fù)合可此，直接帶隙半導(dǎo)體中載流子的壽命必將很短；同時，這種直接復(fù)合可以把能量幾乎全部以光的形式放出（因為沒有聲子參與，故也沒有把能以把能量幾乎全部以光的形式放出（因為沒有聲子參與，故也沒有把能量交給晶體原子）量交給晶體原子）發(fā)光效率高發(fā)光效率高（這也就

6、是為什么發(fā)光器件多半采用（這也就是為什么發(fā)光器件多半采用直接帶隙半導(dǎo)體來制作的根本原因）。直接帶隙半導(dǎo)體來制作的根本原因）。 LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色和光輻射純度，也反映出半導(dǎo)體的特的輸出光譜決定其發(fā)光顏色和光輻射純度，也反映出半導(dǎo)體的特性。性。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙材料GaAsGaAsSiSi直接帶隙材料中，電子與空穴復(fù)合時，其發(fā)光躍遷（Radiative Transition）有以下可能性：導(dǎo)帶價帶（）帶間復(fù)合導(dǎo)帶價帶（）自由激子相互抵消（）在能帶勢能波動區(qū)，局部束縛激子的復(fù)合圖（）和（）是一般紅光產(chǎn)生光的原理，而圖（）是藍(lán)光產(chǎn)生光的原理 LED自發(fā)性的發(fā)光是由于電子與空穴的

7、復(fù)合而產(chǎn)生的。 當(dāng)LED兩端加上正向電壓，電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光。E E光光子子各種顏色光的波長 光色光色波長波長（nm)代表波長代表波長紅（Red）780630700橙（Orange）630600620黃（Yellow）600570580綠（Green）570500550青（Cyan）500470500藍(lán)（Blue）470420470紫（Violet）420380420 光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度g有關(guān)，即 1240/Eg（mm） 電子由導(dǎo)帶向價帶躍遷時以光的

8、形式釋放能量，大小為禁帶寬度Eg。 Eg越大，所發(fā)出的光子波長就越短，顏色就會藍(lán)移。反之， Eg越小，所發(fā)出的光子波長就越長，顏色就會紅移。 若要產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)該在1.593.26 eV之間。 在此能量范圍之內(nèi)，帶隙為直接帶的-族或-族半導(dǎo)體材料只有GaN、 GaP等少數(shù)材料，也可以利用-族或-族二元化合物組成新的三元或四元-族或-族固溶體，通過改變固溶體的組分來改變禁帶寬度與帶隙類型。 光的顏色與芯片的材料有關(guān)系。 材料不一樣，電子和空穴復(fù)合的能量不一樣，發(fā)出的光也不一樣。 紅、黃光芯片的主要材料：AlGaInP、 GaAlAs 藍(lán)、綠光

9、芯片的主要材料：GaN、 InGaN窗口層窗口層P-P-限制層限制層N - 限 制限 制層層活性層活性層布拉格反布拉格反射層射層襯底襯底 LED是利用化合物材料制成pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的特性： （1）電學(xué)特性 （2）光學(xué)特性 （3）熱學(xué)特性 電電學(xué)學(xué)特特性性I-V特性響應(yīng)時間允許功耗LED的伏-安（I-V）特性（1） LED的伏-安（I-V）特性是流過芯片PN結(jié)電流隨施加到PN結(jié)兩端上電壓變化的特性，它是衡量PN結(jié)性能的主要參數(shù)，是PN結(jié)制作優(yōu)劣的重要標(biāo)志。（2）LED具有單向?qū)щ娦院头蔷€性特性。0IF反向死區(qū)VB死區(qū)電壓正向工作區(qū)擊穿區(qū)正向電流對LED較為重要的電學(xué)參數(shù) 開

10、啟電壓UON正向電流IF 正向電壓VF 反向電壓VR BCE開啟電壓：電壓在開啟點以前幾乎沒有電流，電壓一超過開啟點，很快就顯出歐姆導(dǎo)通特性，電流隨電壓增加迅速增大，開始發(fā)光。開啟點電壓因半導(dǎo)體材料的不同而異。GaAs是1.0V，GaAs1-xPx，Ga1-xAlxAs大致是1.5V（實際值因x值的不同而有些差異），GaP（紅色）是1.8V，GaP（綠色）是2.0V，GaN 為2.5V 。正向工作電流IF：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6IFm以下。正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。小功率彩色LED一般是在IF=2

11、0mA時測得的，正向工作電壓VF在1.52.8V。功率級LED一般在IF=350mA時測得的，正向工作電壓VF在24V。在外界溫度升高時，VF將下降。最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。反向擊穿電壓也因材料而異，一般在-2V以上即可。反向漏電：當(dāng)加反向電壓時，外加電場與內(nèi)建勢壘電場方向相同，便阻止了多數(shù)載流子的擴散運動，所以只有很小的反向電流流過管子。但是，當(dāng)反向電壓加大到一定程度時，結(jié)在內(nèi)外電場的作用下，把晶格中的電子強拉出來，參與導(dǎo)電，因而此時反向電流突然增大，出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。正向的發(fā)光管反向漏電流IR10A以下反向漏電流IR（V= -5V）時

12、，GaP 為0，GaN 為10uA。反向電流越小，說明LED的單向?qū)щ娦阅茉胶谩B3.0v3.0v350mA350mAAlGaInP LEDAlGaInP LED-100mA-100mA-20v-20v3.4v3.4v350mA350mAInGaN LEDInGaN LED-100mA-100mA-7v-7vLED的電容一般包括PN結(jié)結(jié)電容和內(nèi)引線分布電容等在內(nèi)的總電容,PN結(jié)電容占主要地位。鑒于LED 的芯片有99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，及封裝結(jié)構(gòu)的不同，電容量也不同，有的遠(yuǎn)小于1PF，有的則

13、達(dá)100PF以上。C-V 特性呈二次函數(shù)關(guān)系。由1MHZ 交流信號用C-V 特性測試儀測得。 LED C-V 特性CV特性先講概念，然后再將為什么要進行CV特性測試，CV特性反映LED的那些特性等響應(yīng)時間 LED響應(yīng)時間是指：通一正向電流時開始發(fā)光和熄滅所延遲時間，標(biāo)志LED反應(yīng)速度。 響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。 LED 的點亮?xí)r間上升時間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。 LED 熄滅時間下降時間tf 是指正常發(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(yīng)時間各不相同；如GaAs、GaA

14、sP、GaAlAs 其響應(yīng)時間小于10-9S。因此它們可用在10100MHZ 的高頻系統(tǒng)中。 允許功耗允許功耗P 當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF ，那么，LED的實際功率消耗P為： P=UFIF LED工作時，外加偏壓、偏流一部分促使載流子復(fù)合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊?，使結(jié)溫升高。若結(jié)溫大于外部環(huán)境溫度時，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量。為保證LED安全工作，應(yīng)該保證實際功率在最大允許功耗范圍內(nèi)。光光學(xué)學(xué)特特性性空間分布光譜分布光學(xué)參數(shù)LED發(fā)光強度的空間分布發(fā)光強度的空間分布 發(fā)光強度的空間分布又叫配光曲線。發(fā)光強度的空間分布又叫配光曲線。 空間分布不均勻空間分布不均勻 LED輻

15、射的空間特性取決于封裝半導(dǎo)體芯片輻射的空間特性取決于封裝半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)及封裝形式。結(jié)構(gòu)及封裝形式。 封裝好的封裝好的LED內(nèi)可能帶有內(nèi)部反射杯、透鏡內(nèi)可能帶有內(nèi)部反射杯、透鏡以及一些散射和濾色材料。以及一些散射和濾色材料。發(fā)光面和角分布發(fā)光面和角分布光譜特性 LED光輻射光譜分布有其獨特的一面。它不是單色光（如激光），也不是寬光譜輻射（如白熾燈），而是介于兩者之間：有幾十納米的帶寬、峰值波長位于可見光或近紅外區(qū)域。 LED的波長分布有的不對稱，有的則有很好的對稱性，具體取決于LED所使用的材料種類及其結(jié)構(gòu)等因素。 改變發(fā)光層的電致發(fā)光層結(jié)構(gòu)及合金組分的比例，都會引起譜線的峰值波長和半寬度的變化

16、。 LED光譜特性表征其單色性的優(yōu)劣和其主要顏色是否純正。 YAG熒光粉 LED的光學(xué)參數(shù)的光學(xué)參數(shù) 光譜半寬度光譜半寬度 峰值波長峰值波長 中心波長中心波長光譜分布和峰值波長：有的發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖所示。該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長P的光譜能量（光強）最大，該波長為峰值波長。只有單色光有峰值波長，不同顏色的LED峰值波長是不同的，紅光LED的峰值波長一般為690nm左右。藍(lán)光LED的峰值波長一般為470nm左右。光譜半寬度:它表示發(fā)光管的光譜純度。是指圖3中1/2峰值光強所對應(yīng)兩波長之間隔。中心波長入是指A、B的中點處對應(yīng)的波長。熱學(xué)特性熱學(xué)特性 當(dāng)電流流過LED時

17、，其PN結(jié)的溫度（簡稱結(jié)溫）將升高，嚴(yán)格意義上說，就把PN結(jié)區(qū)的溫度定義為LED的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。 結(jié)溫的變化將引起LED光輸出、發(fā)光波長及正向電壓的變化。 LED的最高結(jié)溫與所使用的材料及封裝結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。熱的損害 當(dāng)LED的結(jié)溫升高時，材料的禁帶寬度將減少，導(dǎo)致LED的發(fā)光波長變長，顏色紅移。一般情況下，LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。 在室溫下，結(jié)溫每升高1，LED的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1左右。 結(jié)溫上升的原因 a、元件不良的電極結(jié)構(gòu)b、PN結(jié)的注入效率不 完美c、出光效

18、率的限制d、LED元件的熱散失能力。降低LED結(jié)溫的途徑 a、減少LED本身的熱阻b、控制額定輸入功率 c、減少LED與二次散熱機 構(gòu)安裝介面之間的熱阻d、良好的二次散熱機構(gòu)e、降低環(huán)境溫度高效率高效率：發(fā)光效率高，一個兩瓦的LED燈相當(dāng)于一個15瓦的普通白熾燈燈泡的照明效果壽命長壽命長：LED燈最長可達(dá)100000小時；LED半衰減期可達(dá)50000小時以上低耗電低耗電：比同光效的白熾燈最多可節(jié)省百分之七十低故障低故障：LED是半導(dǎo)體元件，與白熾燈和電子節(jié)能燈相比，沒有真空器件和高壓觸發(fā)電路等敏感部件，故障極低，可以免維修綠色、環(huán)保綠色、環(huán)保：單色性好，LED光譜集中，沒有多余紅外、紫外等光譜

19、，熱量、輻射很少，對被照物產(chǎn)生影響少。而且不含汞有害物質(zhì)，廢棄物可回收，沒有污染方向性強方向性強：平面發(fā)光，方向性強。它與點光源白熾燈不同，視角度180，設(shè)計時一定要注意和利用LED光源有不同的視角度和不能大于180的特點快響應(yīng)快響應(yīng)：響應(yīng)時間短，只有60ns，啟動十分迅速；白熾燈是毫秒數(shù)量級低電壓低電壓：驅(qū)動電壓低，工作電壓為直流，安全小體積小體積：體積小、重量輕。利用其特點可設(shè)計又薄、又輕、又緊湊的各種式樣的燈具；背光源產(chǎn)品多色彩多色彩：LED色彩鮮艷豐富。不同的半導(dǎo)體材料，不同顏色的光。顏色飽和度達(dá)到130%全彩色不同光色的組合變化多端，利用時序控制電路，更能達(dá)到豐富多彩的動態(tài)變化效果控

20、制方便控制方便:只要調(diào)整電流，就可以隨意調(diào)光，使燈光更加清晰柔和讓人感覺更加舒服按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分 ：紅色、黃色、橙色、綠色、藍(lán)光紅色、黃色、橙色、綠色、藍(lán)光等，有的發(fā)等，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管成還可分有不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管成還可分有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。按發(fā)光管出光面特征分：按發(fā)光管出光面特征分：圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、

21、側(cè)向管、圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及及20mm等。國外通常把等。國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作的發(fā)光二極管記作T-1；把；把5mm的記作的記作T-1（3/4）；把）；把4.4mm的記作的記作T-1（1/4）。由）。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為氧封裝，

22、或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為520或更小，具有很高的指向性。（或更小，具有很高的指向性。（2）標(biāo)準(zhǔn)型。其半值角為）標(biāo)準(zhǔn)型。其半值角為2045。（3）散射型。半值角為）散射型。半值角為4590或更大，散射劑的量較大?；蚋?，散射劑的量較大。 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分 ： 全環(huán)氧包封全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底陶瓷底座環(huán)氧封裝座環(huán)氧封裝及及玻璃封裝玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。等結(jié)構(gòu)。 按發(fā)光強度和工作電流分按發(fā)光強度和工作電流分 ：普通亮度的普通亮度的LED（發(fā)光強度（發(fā)光強度10mcd）；）；超高亮度的超高亮度的LED（發(fā)光強度（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在）；把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾的工作電流在十幾mA至幾十至幾十mA，而低電流而低電流LED的工作電流在的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。按工作功率分：按工作功率分：小功率小功率（0.06W）、）、功率型功率型（0.06W1W）、）、大功大功率率（1W）