LED發(fā)光二極管深入版電子教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED發(fā)光二極管深入版-發(fā)光二極管LED一、LED的結構及發(fā)光原理50年前人們已經(jīng)了解半導體材料可產(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，它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管是一種將電流順向通到半導體p-n結處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質結和量子阱結構。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在

2、p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，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，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線。1.燭光、國際燭光、坎德拉（candela）的定義在每平方米101325牛頓的標準大氣壓下，面積等于1/60平方厘米的絕對“黑體”（即能夠吸收全部外來光線而毫無反射的理想物體），在純鉑（Pt）凝

3、固溫度（約2042K獲1769）時，沿垂直方向的發(fā)光強度為1坎德拉。并且，燭光、國際燭光、坎德拉三個概念是有區(qū)別的，不宜等同。從數(shù)量上看，60坎德拉等于58.8國際燭光，亥夫納燈的1燭光等于0.885國際燭光或0.919坎德拉。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.響應時間：其白熾燈的

4、響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級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修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，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，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構成。三、單色光LED的應用最初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

5、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，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應速度快（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域都得到了應用。四、白光LED的開發(fā)1、概述GaN材料具有許多硅基半導體材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫高

6、頻和高速半導體器件的工作要求，其中最重要的物理特點是具有更寬的禁帶，可以發(fā)射波長比紅光更短的藍光。與紅色激光和綠色激光不同，藍色激光存在難以在常溫下發(fā)出高功率光的缺陷。氮化鎵基藍光LED的出現(xiàn)使戶外全色顯示和半導體照明成為可能。具有全固體、冷光源、壽命長、體積小、光效高、響應速度快、耐久性好等優(yōu)點，主要應用于大屏幕全彩顯示、汽車燈具、多媒體顯示、海洋光通訊等領域。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），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光

7、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，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熒光粉的化學組成和調節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得不同色溫下(27008000K)的白光。表一列出了目前白色LED的種類及其發(fā)光原理。從表中也可以看出某些種類的白LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結構的黃色粉，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。表1白色LE

8、D的種類和原理芯片數(shù)激發(fā)源發(fā)光材料發(fā)光原理1藍色LEDInGaN/YAGInGaN的藍光與YAG的黃光混合成白光藍色LEDInGaN/熒光粉InGaN的藍光激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光藍色LEDZnSe由薄膜層發(fā)出的藍光和在基板上激發(fā)出的黃光混色成白光紫外LEDInGaN/熒光粉InGaN的紫外激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光2藍色LED黃綠LEDInGaN、GaP將具有補色關系的兩種芯片封裝在一起，構成白色LED3藍色LED綠色LED紅色LEDInGaNAlInGaP將發(fā)三原色的三種小片封裝在一起，構成白色LED多個多種光色的LEDInGaN、GaPAlInGaP將遍布可見光區(qū)的多種光芯片封

9、裝在一起，構成白色LED2、實驗采用熒光粉轉換方法制備的白光LED，以GaN基藍色LED的藍色發(fā)光(470nm)為基礎光源，用藍色LED的發(fā)光激發(fā)熒光粉。藍色發(fā)光二極管發(fā)出的藍光部分透過熒光粉發(fā)射出來，部分激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出峰值為570nm的黃綠色光,透出的藍色發(fā)光與熒光粉發(fā)出的黃綠色光組成白光(見圖1)，制備的白光發(fā)光二極管的發(fā)射光譜示于圖2。測試結果：在15mA電流作用下，色坐標為：x=0.129，y=0.133，法向光強為2890mcd。3、結果與分析采用的熒光粉為稀土Ce3+激活的鋁酸鹽Y3Al5O12Ce3+(YAG)，激發(fā)光譜如圖3(a)所示，其激發(fā)峰在470nm，正好與藍色

10、發(fā)光二極管的發(fā)射峰相匹配，這樣可以確保熒光粉的光轉換效率。熒光粉的發(fā)射光譜如圖3(b)所示，發(fā)射光譜是一個峰值在570nm的寬帶發(fā)射譜。從色坐標圖中可以看出570nm的發(fā)射光與470nm藍色發(fā)光二極管的發(fā)射光可以匹配合成白光，但所合成的白光的色坐標x值偏低,實驗測得此白光LED的色坐標x=0.129，y=0.133，紅光部分偏低。要想使白光LED的色坐標接近x=0.133，y=0.133有兩種途徑：一是將熒光粉的發(fā)射光譜移向長波方向，使其發(fā)射光譜的峰值移到575nm；二是在熒光粉中加入適量的紅色熒光粉，彌補紅光不足的弱點。研制不同色溫的白光LED也需要研制激發(fā)峰值在460470nm的紅色熒光粉

11、。為了彌補白光LED中紅光偏弱和研制不同色溫的白光LED，研制了稀土激活的硫化物紅色熒光粉(CaSEu2+)，作為一種輔助熒光粉，將這種粉與黃綠色熒光粉以適當比例混合可以彌補紅光不足的弱點。CaSEu2+紅色熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜示于圖5。從激發(fā)光譜(圖5(a)中可以看出，這種熒光粉從460500nm的激發(fā)都很強，因此將這種熒光粉用于白光LED很適宜于白光的高效率光轉換。從發(fā)射光譜(圖5(b)可以看出，發(fā)光光譜峰值在650nm附近，是純正的紅光。4、不同色溫的白光LED研究色溫也是照明領域的一個重要技術指標，這里研究制備了不同色溫的白光LED。通過調節(jié)熒光粉涂層的厚度和紅、黃熒光粉配比，可以有

12、效地改變白光LED的色溫，制備出色溫從27008000K的白光。LED2700K色溫對應于白熾燈的色溫，不同色溫白光LED的發(fā)射光譜示于圖6。隨著熒光粉涂層厚度的增加藍色發(fā)光峰下降,熒光粉發(fā)出的黃綠色光增加，發(fā)光向著低色溫方向變化。同時為了進一步降低白光LED的色溫，適量加入紅粉，使得熒光粉的發(fā)光峰值向長波方向移動。色溫為8081、6968、5914、5053、4178K的白光LED用的熒光粉主要是黃綠色熒光粉，其熒光粉的發(fā)射峰值在575nm。要想進一步降低色溫，需要在熒光粉中少量配上紅色熒光粉，采用黃綠色熒光粉與紅色熒光粉以適當?shù)谋壤M行配比。利用配成的熒光粉制備出色溫為2739、3039K

13、的低色溫白光LED，這兩種低色溫的白光LED用的熒光粉的發(fā)射峰值波長分別為629nm和597nm，色溫為2739K的白光LED與白熾燈的色溫非常接近。表2不同色溫的白光LED的色坐標和顯色指數(shù)Table2ColorcoordinatesandcolorindexofwhiteLEDwithdifferentcolortemperature.樣品序號色溫(K)色坐標顯色指數(shù)xy1#27390.14830.145778183#30390.14300.142983187#41780.13760.138784149#50530.13440.1356831911#59140.13250.13328115

14、14#69680.13080.1310811415#80100.12970.12987918表2給出了不同色溫白光LED對應的色坐標和顯色指數(shù)。從表中可以看出隨著色溫的變化。色坐標位置也發(fā)生明顯的變化，色溫低于3700K時，色坐標x，y均大于0.14，色溫高于8000K時，色坐標x,y均小于0.13，色坐標x=0.133，y=0.133對應的色溫大約在5500K。采用LED光源進行照明，首先取代耗電的白熾燈，然后逐步向整個照明市場進軍，將會節(jié)約大量的電能。近期，白色LED已達到單顆用電超過1瓦，光輸出25流明，也增大了它的實用性。表3和表4列出了白色LED的效能進展。表3單顆白LED的效能進展

15、年份發(fā)光效能（流明/瓦）備注1998519915相若白熾燈200125相若鹵鎢燈200550估計表4長遠發(fā)展目標單顆白色LED輸入功率10瓦發(fā)光效能100流明/瓦輸出光能1000流明/瓦作為熒光體激勵光源的多量子阱（MQW）LED的外部量子效率已提高了20%，其溫和色調優(yōu)異。受YAG熒光體壽命影響的白色LED的壽命已超過數(shù)萬小時。五、業(yè)界概況在LED業(yè)者中，日亞化學是最早運用上述技術工藝研發(fā)出不同波長的高亮度LED，以及藍紫光半導體激光（LaserDiode；LD），是業(yè)界握有藍光LED專利權的重量級業(yè)者。在日亞化學取得蘭色LED生產(chǎn)及電極構造等眾多基本專利后，堅持不對外提供授權，僅采自行生產(chǎn)

16、策略，意圖獨占市場，使得藍光LED價格高昂。但其他已具備生產(chǎn)能力的業(yè)者相當不以為然，部分日系LED業(yè)者認為，日亞化工的策略，將使日本在藍光及白光LED競爭中，逐步被歐美及其他國家的LED業(yè)者搶得先機，屆時將對整體日本LED產(chǎn)業(yè)造成嚴重傷害。因此許多業(yè)者便千方百計進行藍光LED的研發(fā)生產(chǎn)。目前除日亞化學和住友電工外，還有豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球3大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了該產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，對促進白光LED產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化、市場化方面起到了積極的促進作用。六、LED應用前景及趨勢目前，照明消耗約占整個電力消耗的2

17、0%，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實現(xiàn)這一目標業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達到了一定的成效。但是，距離綠色照明的要求還遠遠不夠，開發(fā)和應用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對LED照明效益進行了預測，美國55%白熾燈及55%的日光燈被LED取代，每年節(jié)省350億美元電費，每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%白熾燈換成LED，可減少12座核電廠發(fā)電量，每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。臺灣地區(qū)25%白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代，每年節(jié)省110億度電。日本早在1998年就編制

18、21世紀計劃，針對新世紀照明用LED光源進行實用性研究。近年來，日本日亞化工、豐田合成、SONY、佳友電工等都已有LED照明產(chǎn)品問世。世界著名的照明公司如飛利浦、歐司朗、GE等也投入大量的人力物力進行LED照明產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)。美國GE公司和EMCORE公司合作成立新公司，專門開發(fā)白光LED，以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)LED照明系統(tǒng)。臺灣目前的LED產(chǎn)量僅次于日本列在美國之前，從1998年開始投入6億臺幣進行相關開發(fā)工作。LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領域的應用還是新技術。隨著LED技術的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應用市場將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大