LED基礎(chǔ)知識(shí)30224課件

LED基礎(chǔ)知識(shí)

LED的發(fā)光原理LED的光、色、電特性LED的種類LED的特點(diǎn)白光LED的實(shí)現(xiàn)LED的應(yīng)用LED的發(fā)展和應(yīng)用前景LED是什么?LED是如何誕生的?它有怎樣的發(fā)展歷程？1907年，HenryJosephRound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(wú)機(jī)半導(dǎo)體的發(fā)光現(xiàn)象。但因?yàn)闊o(wú)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(guó)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NickHolonyak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-Packard（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GaAsPLED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(guó)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(lái)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(guó)的CREE公司，分別在藍(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)展階段年份發(fā)展進(jìn)程發(fā)光效率（lm/w）應(yīng)用領(lǐng)域指示應(yīng)用1962GaAsP紅光LED（樣品）<0.1指示燈1965GaAsP紅光LED0.11968GaAsP紅、橙、黃光LED0.21970-1980GaAsP高效紅、黃光、GaP綠、紅光1指示燈、計(jì)算器、數(shù)字手表信號(hào)顯示1980-1985AlGaAs橙黃、綠、紅光LED5室外信號(hào)顯示、條形碼系統(tǒng)、光電傳導(dǎo)系統(tǒng)1986-1992InGaAlP紅、綠、橙紅、橙黃、橙、黃色LED10室外顯示屏、交通信號(hào)燈、汽車全彩應(yīng)用普通照明1993-1994InGaN綠、藍(lán)光LED，GaN藍(lán)光LED15醫(yī)療設(shè)備、全彩大屏幕顯示屏、小尺寸LCD背光源、手機(jī)背光照明、景觀裝飾照明、閃光燈、應(yīng)急燈、警示燈、標(biāo)志燈1997白光LED（藍(lán)光芯片+YAG熒光粉）102000InGaAlPGaAs、InGaNSiC彩色LED>302005InGaAlPGaAs、InGaNSiC彩色LED>502007-2009功率級(jí)白光LED>100物體發(fā)光有哪些方式？物體的發(fā)光方式冷光熱光：又叫熱輻射，是指物質(zhì)在高溫下發(fā)出的光。：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釋放出來(lái)，回到基態(tài)。白熾燈：當(dāng)鎢絲在真空或是惰性氣體中加熱至很高的溫度，就會(huì)發(fā)出白光。生物發(fā)光：螢火蟲化學(xué)發(fā)光：熒光粉陰極射線發(fā)光：熒光燈、金鹵燈場(chǎng)致發(fā)光：無(wú)極燈電致發(fā)光：LED

電致發(fā)光原理：電場(chǎng)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(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(lái)。直接帶隙材料中，電子與空穴復(fù)合時(shí)，其發(fā)光躍遷（RadiativeTransition）有以下可能性：導(dǎo)帶價(jià)帶（１）帶間復(fù)合Ｅｇ導(dǎo)帶價(jià)帶（２）自由激子相互抵消（３）在能帶勢(shì)能波動(dòng)區(qū)，局部束縛激子的復(fù)合ＥｃＥｖ圖（１）和（２）是一般ＡｌＧａＩｎＰ紅光ＬＥＤ產(chǎn)生光的原理，而圖（３）是ＡｌＧａＩｎＮ藍(lán)光ＬＥＤ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(yáng)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，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光。E光子光的本質(zhì)是什么?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(lái)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的電磁波譜家族中的很小空間。光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即λ≈1240/Eg（mm）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1.59～3.26eV之間。在此能量范圍之內(nèi)，帶隙為直接帶的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料只有GaN、GaP等少數(shù)材料，也可以利用Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族二元化合物組成新的三元或四元Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族固溶體，通過改變固溶體的組分來(lái)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)、綠光芯片的主要材料：GaN、InGaN窗口層P-限制層N-限制層活性層布拉格反射層襯底LED的主要電

學(xué)

特

性I-V特性響應(yīng)時(shí)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0.6·IFm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1.5～2.8V。功率級(jí)LED一般在IF=350mA時(shí)測(cè)得的，正向工作電壓VF在2～4V。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(lái)，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IR<10μA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(shuō)明LED的單向?qū)щ娦阅茉胶?。VB3.0v350mAAlGaInPLED-100mA-20v3.4v350mAInGaNLED-100mA-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9×9mil(250×250um)，10×10mil，11×11mil(280×280um)，12×12mil(300×300um)，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。LEDC-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)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(lái)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10~100MHZ的高頻系統(tǒng)中。

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=UF×IF

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)闊幔菇Y(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)際功率在最大允許功耗范圍內(nèi)。

光

學(xué)

特

性空間分布光譜分布光學(xué)參數(shù)LED發(fā)光強(qiáng)度的空間分布發(fā)光強(qiáng)度的空間分布又叫配光曲線。空間分布不均勻LED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。封裝好的LED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。發(fā)光面和角分布光譜特性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)光譜半寬度峰值波長(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)λP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Δλ: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(shuō)，就把P—N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、P—N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LED與普通光源有什么區(qū)別?高效率：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)：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：比同光效的白熾燈最多可節(jié)省百分之七十低故障：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：?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)：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)：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：驅(qū)動(dòng)電壓低，工作電壓為直流，安全小體積：體積小、重量輕。利用其特點(diǎn)可設(shè)計(jì)又薄、又輕、又緊湊的各種式樣的燈具；背光源產(chǎn)品多色彩：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(shí)序控制電路，更能達(dá)到豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果控制方便: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LED都有哪些種類?按發(fā)光管發(fā)光顏色分：紅色、黃色、橙色、綠色、藍(lán)光等，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不摻散射劑、有色還是無(wú)色，上述各種顏色的發(fā)光二極管成還可分有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類型。按發(fā)光管出光面特征分：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φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國(guó)外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分有三類：（1）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5°～20°或更小，具有很高的指向性。（2）標(biāo)準(zhǔn)型。其半值角為20°～45°。（3）散射型。半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分：

全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分：普通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度＜10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度＞100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10~100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。按工作功率分：小功率（＜0.06W）、功率型（0.06W~1W）、大功率（＞1W）。白光LED是如何實(shí)現(xiàn)的?用不同顏色及數(shù)目LED加熒光粉