LED的基礎(chǔ)知識(shí)

1、鄧青云博士（美籍）鄧教授在異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池方面取得了許多基礎(chǔ)研究成果，他發(fā)現(xiàn)了有機(jī)發(fā)光二極體（OLED），并在發(fā)展OLED顯示技術(shù)方面做出了巨大的貢獻(xiàn)，得到業(yè)界廣泛的承認(rèn)。 LED基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 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(diǎn)的特點(diǎn) 白光白光LED的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) LED的應(yīng)用的應(yīng)用 LED的發(fā)展和應(yīng)用前景的發(fā)展和應(yīng)用前景路燈路燈射燈射燈交通信號(hào)燈交通信號(hào)燈汽車霧燈汽車霧燈汽車尾燈汽車尾燈 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(E

2、L) 半導(dǎo)體器件。 LED實(shí)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)。1907年，Henry Joseph Round在觀測(cè)金剛砂(SiC) 電致發(fā)光的現(xiàn)象時(shí)，初次觀察到了無機(jī)半導(dǎo)體的發(fā)光現(xiàn)象。但因?yàn)闊o機(jī)半導(dǎo)體發(fā)出的黃光太過暗淡，他很快就放棄了這方面的研究。到20世紀(jì)20年代，德國科學(xué)家O.W.LOSSOW在研究SiC檢波器時(shí)，再次觀察到這種現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)受到材料制備和器件工藝水平的限制，沒有被迅速利用。1962年，GE公司Nick Holonyak帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功演示出第一個(gè)紅光GaAsP發(fā)光二極管，僅6年后，Monsanto(孟山都)研發(fā)的指示燈以及Hewlett-Pa

3、ckard（IBM）研發(fā)的電子顯示屏就將商業(yè)化LED推向了市場(chǎng)。1965年僅0.1LM/W ，指示燈1968年，人們通過N摻雜工藝，使GaAsP LED的發(fā)光效率達(dá)到1lm/w,并出現(xiàn)了橙色光和黃色光。真正具有了商業(yè)價(jià)值。到20世紀(jì)80年代，使用AlGaAs(砷鎵化鋁)的第一代超亮LED誕生。產(chǎn)品首先是紅色、然后是黃色，最后是綠色。應(yīng)用領(lǐng)域多到20世紀(jì)90年代，日本東芝公司和美國的HP公司，先后研發(fā)成功雙異質(zhì)結(jié)與多量子阱結(jié)構(gòu)的橙色和黃色I(xiàn)nGaAlP(銦鎵鋁化磷)的組合又被用來生產(chǎn)超亮紅色、桔色、黃色及綠色LED. 20世紀(jì)90年代中期，日本的日亞（NICHIA）公司和美國的CREE公司，分別

4、在藍(lán)寶石和SIC襯底上成功研發(fā)了超亮藍(lán)光GaN(氮化鎵)LED，高亮度綠光、紫光及藍(lán)光InGaN(氮化銦鎵)LED隨后也研發(fā)成功。 發(fā)展階段發(fā)展階段年份年份發(fā)展進(jìn)程發(fā)展進(jìn)程發(fā)光效率發(fā)光效率（lm/w）應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域指指示示應(yīng)應(yīng)用用1962GaAsP紅光紅光LED（樣品）（樣品）302005InGaAlPGaAs、 InGaNSiC彩色彩色LED502007-2009功率級(jí)白光功率級(jí)白光LED100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：又叫熱輻射，是指物質(zhì)在高溫下發(fā)出的光。溫下發(fā)出的光。：某種能源在較低溫度時(shí)所發(fā)：某種能源在較低溫度時(shí)所發(fā)出的光。發(fā)冷光時(shí)，某個(gè)原出的光

5、。發(fā)冷光時(shí)，某個(gè)原子的一個(gè)電子受外力作用從子的一個(gè)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(huì)發(fā)出白光。會(huì)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(chǎng)致發(fā)光：無極燈場(chǎng)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：電場(chǎng)的作用激發(fā)電

6、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(shí)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。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(shí)，其發(fā)光躍遷（Radiative Transition）有以下可能性：導(dǎo)帶價(jià)帶（）帶間復(fù)合導(dǎo)帶價(jià)帶（）自由激子相互抵消（）在能帶勢(shì)能波動(dòng)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(shí)，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，

7、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 光是一種能量的形態(tài)，是一種電磁波。 在同一介質(zhì)中，能量從能源出發(fā)沿直線向四面八方傳播,這種能量傳遞的方式通常叫做輻射。 通?？梢杂貌ㄩL(zhǎng)來表達(dá)人眼所能感受到的可見光的輻射能量。人眼所能見的可見光的光波只占寬闊人眼所能見的可見光的光波只占寬闊的電磁波譜家族中的很小空間。的電磁波譜家族中的很小空間。各種顏色光的波長(zhǎng) 光色光色波長(zhǎng)波長(zhǎng)（nm)代表波長(zhǎng)代表波長(zhǎng)紅（Red）780630700橙（Orange）630600620黃（Yellow）600570580綠（Green）570500550青（Cyan）500470500藍(lán)（Blue）4704

8、20470紫（Violet）420380420 光的峰值波長(zhǎng)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（nm） 電子由導(dǎo)帶向價(jià)帶躍遷時(shí)以光的形式釋放能量，大小為禁帶寬度Eg。 Eg越大，所發(fā)出的光子波長(zhǎng)就越短，顏色就會(huì)藍(lán)移。反之， Eg越小，所發(fā)出的光子波長(zhǎng)就越長(zhǎng)，顏色就會(huì)紅移。 若要產(chǎn)生可見光（波長(zhǎng)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。

9、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眾所周知紅藍(lán)綠是三原色，紅色、綠色發(fā)光二極管早在上世紀(jì)中葉已經(jīng)問世，但要把發(fā)光二極管用于照明，必須發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管，因?yàn)橛辛思t、綠、藍(lán)三原色后，才能產(chǎn)生照亮世界的白色光源。在在中村等人開發(fā)中村等人開發(fā)GaNGaN材料之前，藍(lán)材料之前，藍(lán)光光LEDLED的研究又進(jìn)展甚微，所以雖然的研究又進(jìn)展甚微，所以雖然LE

10、DLED發(fā)明很早，但是由于缺少藍(lán)色色光，整發(fā)明很早，但是由于缺少藍(lán)色色光，整個(gè)個(gè)LEDLED照明顯示產(chǎn)業(yè)的瓶頸就卡在這里。照明顯示產(chǎn)業(yè)的瓶頸就卡在這里。中村等人發(fā)明的藍(lán)光中村等人發(fā)明的藍(lán)光LEDLED，補(bǔ)足了光譜上最后一塊缺口，讓基于，補(bǔ)足了光譜上最后一塊缺口，讓基于LEDLED的白光照的白光照明和全彩色顯示成為可能，為之后出現(xiàn)的所有明和全彩色顯示成為可能，為之后出現(xiàn)的所有LEDLED照明燈，照明燈，LEDLED背光液晶顯示背光液晶顯示器，器，LEDLED全色顯示點(diǎn)陣鋪平了道路。是藍(lán)光全色顯示點(diǎn)陣鋪平了道路。是藍(lán)光LEDLED讓讓LEDLED從紅綠色的小指示燈和從紅綠色的小指示燈和數(shù)碼管顯示走

11、向真正意義上的通用光源，成為數(shù)碼管顯示走向真正意義上的通用光源，成為“a new light source”a new light source”， 這也是藍(lán)色這也是藍(lán)色LEDLED的研究特別被重視的原因。的研究特別被重視的原因?；趯捊麕О雽?dǎo)體的藍(lán)色基于寬禁帶半導(dǎo)體的藍(lán)色LEDLED發(fā)明之后，白光發(fā)明之后，白光LEDLED先后出現(xiàn)了兩種形式。一種是結(jié)先后出現(xiàn)了兩種形式。一種是結(jié)合了紅，綠，藍(lán)等多色合了紅，綠，藍(lán)等多色LEDLED，通過調(diào)節(jié)色光比例混合產(chǎn)生白光；第二種是藍(lán)光，通過調(diào)節(jié)色光比例混合產(chǎn)生白光；第二種是藍(lán)光LED+LED+黃色熒光粉，結(jié)合藍(lán)光和熒光粉激發(fā)出的寬頻段黃光產(chǎn)生白光黃色熒光

12、粉，結(jié)合藍(lán)光和熒光粉激發(fā)出的寬頻段黃光產(chǎn)生白光。前者的好處在于不僅可以發(fā)白光，還可以隨心調(diào)節(jié)各種色光，常用于戶外大型。前者的好處在于不僅可以發(fā)白光，還可以隨心調(diào)節(jié)各種色光，常用于戶外大型LEDLED全色顯示屏；后者的優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單成本低，沒有不同全色顯示屏；后者的優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單成本低，沒有不同LEDLED光衰速率不一產(chǎn)生光衰速率不一產(chǎn)生偏色的問題，常用于只需要白光的場(chǎng)合例如照明。偏色的問題，常用于只需要白光的場(chǎng)合例如照明。 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(shí)間允許功耗LED的

13、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(duì)LED較為重要的電學(xué)參數(shù) 開啟電壓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(diǎn)以前幾乎沒有電流，電壓一超過開啟點(diǎn)，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(diǎn)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(shí)際值因x值的不同而有些

14、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(shí)的正向電流值。在實(shí)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=20mA時(shí)測(cè)得的，正向工作電壓VF在1.52.8V。功率級(jí)LED一般在IF=350mA時(shí)測(cè)得的，正向工作電壓VF在24V。在外界溫度升高時(shí)，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(shí)，外加電

15、場(chǎng)與內(nèi)建勢(shì)壘電場(chǎng)方向相同，便阻止了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，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(shí)，結(jié)在內(nèi)外電場(chǎng)的作用下，把晶格中的電子強(qiáng)拉出來，參與導(dǎo)電，因而此時(shí)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(shí)，GaP 為0，GaN 為10uA。反向電流越小，說明LED的單向?qū)щ娦阅茉胶?。VB3.0v3.0v350mA350mAAlGaInP LEDAlGaInP LED-100mA-100mA-20v-20v3.4v3.4v350mA350mAInGaN LEDInGaN LED-100mA-100mA-7v-7

16、vLED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，有的則達(dá)100PF以上。C-V 特性呈二次函數(shù)關(guān)系。由1MHZ 交流信號(hào)用C-V 特性測(cè)試儀測(cè)得。 LED C-V 特性響應(yīng)時(shí)間 LED響應(yīng)時(shí)間是指：通一正向電流時(shí)開始發(fā)光和熄滅所延遲時(shí)間，標(biāo)志LED反應(yīng)速度。 響應(yīng)時(shí)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(diǎn)亮?xí)r間上升時(shí)間tr 是指接通電源使發(fā)

17、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(shí)間。 LED 熄滅時(shí)間下降時(shí)間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。 不同材料制得的LED響應(yīng)時(shí)間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應(yīng)時(shí)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(shí)際功率消耗P為： P=UFIF LED工作時(shí)，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(shí)，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(shí)際功率在

18、最大允許功耗范圍內(nèi)。光光學(xué)學(xué)特特性性光譜分布光學(xué)參數(shù)光譜特性 LED光輻射光譜分布有其獨(dú)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(zhǎng)位于可見光或近紅外區(qū)域。 LED的波長(zhǎng)分布有的不對(duì)稱，有的則有很好的對(duì)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(huì)引起譜線的峰值波長(zhǎng)和半寬度的變化。 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(zhǎng)峰值波長(zhǎng) 中心波長(zhǎng)中心波長(zhǎng)光譜分布和峰值波長(zhǎng)：有的發(fā)光二極管所發(fā)之光

19、并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)大體按圖所示。該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)P的光譜能量（光強(qiáng)）最大，該波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。只有單色光有峰值波長(zhǎng)，不同顏色的LED峰值波長(zhǎng)是不同的，紅光LED的峰值波長(zhǎng)一般為690nm左右。藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)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(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔。中心波長(zhǎng)入是指A、B的中點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。熱學(xué)特性熱學(xué)特性 當(dāng)電流流過LED時(shí)，其PN結(jié)的溫度（簡(jiǎn)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L(zhǎng)ED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

20、波長(zhǎng)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(shí)，材料的禁帶寬度將減少，導(dǎo)致LED的發(fā)光波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色紅移。一般情況下，LED的發(fā)光波長(zhǎng)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(qiáng)度會(huì)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(jī) 構(gòu)安裝介面之間的熱阻d、良好的二次散熱機(jī)構(gòu)e、降低環(huán)境溫度高效率高效

21、率：發(fā)光效率高，一個(gè)兩瓦的LED燈相當(dāng)于一個(gè)15瓦的普通白熾燈燈泡的 照明效果壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng)：LED燈最長(zhǎng)可達(dá)100000小時(shí)；LED半衰減期可達(dá)50000小時(shí)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：?jiǎn)紊院?，LED光譜集中，沒有多余紅外、紫外等光譜，熱量、輻射很少，對(duì)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(qiáng)方向性強(qiáng)：平面發(fā)光，方向性強(qiáng)。它與點(diǎn)光源白熾燈不同，視角度180，設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)快響應(yīng)快響應(yīng)：響應(yīng)時(shí)間短，只有60ns，啟動(dòng)十分迅速；白熾燈是毫秒數(shù)量級(jí)低電壓低電壓：驅(qū)動(dòng)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(diǎn)可設(shè)計(jì)又薄、又輕、又緊湊的各種式