《LED基础知识》PPT课件

LED 的 基 础 常 识 制 造 LED的 材 料 不 同 ， 可 以 产 生 具 有 不 同 能 量 的 光 子 ， 借 此 可 以 控 制 LED所 发 出光 的 波 长 ， 也 就 是 光 谱 或 颜 色 。 历 史 上 第 一 个 LED所 使 用 的 材 料 是 砷 (As)化 镓 (Ga) ,其正 向 PN结 压 降 (VF， 可 以 理 解 为 点 亮 或 工 作 电 压 )为 1.424V， 发 出 的 光 线 为 红 外 光 谱 。另 一 种 常 用 的 LED材 料 为 磷 (P)化 镓 (Ga)， 其 正 向 PN结 压 降 为 2.261V， 发 出 的 光 线 为 绿光 。 基 于 这 两 种 材 料 ， 早 期 LED工 业 运 用 GaAs1-xPx材 枓 结 构 ， 理 论 上 可 以 生 产 从 红 外光 一 直 到 绿 光 范 围 内 任 何 波 长 的 LED， 下 标 X代 表 磷 元 素 取 代 砷 元 素 的 百 分 比 。 一 般 通 过 PN结 压 降 可 以 确 定 LED的 波 长 颜 色 。 其 中 典 型 的 有 GaAs0.6P0.4 的 红 光 LED，GaAs0.35P0.65 的 橙 光 LED， GaAs0.14P0.86 的 黃 光 LED等 。 由 于 制 造 采 用 了 鎵 、 砷 、磷 三 种 元 素 ， 所 以 俗 称 这 些 LED为 三 元 素 发 光 管 。 而 GaN（ 氮 化 镓 ） 的 蓝 光 LED 、GaP 的 绿 光 LED和 GaAs红 外 光 LED， 被 称 为 二 元 素 发 光 管 。 而 目 前 最 新 的 工 艺 是 用 混合 铝 (Al)、 钙 (Ca) 、 铟 (In)和 氮 (N)四 种 元 素 的 AlGaInN 的 四 元 素 材 料 制 造 的 四 元 素LED， 可 以 涵 盖 所 有 可 见 光 以 及 部 份 紫 外 光 的 光 谱 范 围 。 LED 是 取 自 Light Emitting Diode 三 个 字 的 缩 写 ， 中 文 译 为 “ 发 光 二 极 管 ” ， 顾 名思 义 发 光 二 极 管 是 一 种 可 以 将 电 能 转 化 为 光 能 的 电 子 器 件 具 有 二 极 管 的 特 性 。 不 同 的发 光 二 极 管 可 以 发 出 从 红 外 到 蓝 间 不 同 波 长 的 光 线 ， 目 前 发 出 紫 色 乃 至 紫 外 光 的 发 光二 极 管 也 已 经 诞 生 。 除 此 之 外 还 有 在 蓝 光 LED 上 涂 上 荧 光 粉 ， 将 蓝 光 转 化 成 白 光 的 白光 LED。 可 见 光 LED的 发 展 史 自 1970年 左 右 开 始 红 光 LED的 光 功 率 不 断 上 升 ， 但 是 蓝 光 LED的 特 性 到 1992年 后才 突 飞 猛 进 。 发 光 原 理LED 属 于 半 导 体 组 件 ， 控 制 不 纯 物 可 以 形 成 P 型 与 N 型 半 导 体 ， P 型 与 N 型 半 导 体 两者 组 合 就 可 构 成 二 极 管 (Diode)， 二 极 管 通 电 时 会 发 光 。动 作 上 它 是 施 加 电 流 使 电 子 与 电 洞 (Hole)再 结 合 ， 接 着 利 用 半 导 体 的 Band Gap 能 量(亦 即 能 隙 )获 得 一 定 波 长 的 发 光 。 假 设 发 光 是 在 P区 中 发 生 的 ， 那 么 注 入 的 电 子 与 价 带 空 穴 直 接 复 合 而 发 光 ， 或 者 先 被发 光 中 心 捕 获 后 ， 再 与 空 穴 复 合 发 光 。 除 了 这 种 发 光 复 合 外 ， 还 有 些 电 子 被 非 发 光 中心 （ 这 个 中 心 介 于 导 带 、 介 带 中 间 附 近 ） 捕 获 ， 而 后 再 与 空 穴 复 合 ， 每 次 释 放 的 能 量不 大 ， 不 能 形 成 可 见 光 。 发 光 的 复 合 量 相 对 于 非 发 光 复 合 量 的 比 例 越 大 ， 光 量 子 效 率越 高 。 由 于 复 合 是 在 少 子 扩 散 区 内 发 光 的 ， 所 以 光 仅 在 靠 近 PN结 面 数 m以 内 产 生 。 发 光 原 理 发 光 材 料 与 波 长 Band Gap 随 着 半 导 体 材料 不 同 ， 也 就 是 说 半 导 体材 料 的 选 择 可 以 改 变 发 光色 。 下 表 是 半 导 体 材 料 与发 光 波 长 、 发 光 色 的 关 系 ，以 InGaAlP 为 例 ， 构 成 元素 (In, Ga, Al, P)之 中 ， 改变 主 要 元 素 Al 的 混 晶 比 率 ， 就 可 以 获 得 红 绿 色 的 发光 。 色 的 3 原 色 与 光 的 3 原 色 不 同 ， 色 的 3 原 色 为 红 、 蓝 、 黄 ； 光 的 3 原 色 则 为 红 、 蓝 、 绿 。 混 合 色 的 3 原 色 时 变 成 黑 色 ； 混 合 光 的 3 原 色 则 变 成 白 色 。以 LED 形 成 白 光 的 方 式 可 以 分 成 2 种 ， 分 别 是 :a.组 合 红 、 蓝 、 绿 LED 变 成 白 光 。b.蓝 光 或 是 紫 外 线 发 光 LED， 搭 配 荧 光 体 变 成 白 光 。 组 合 红 、 蓝 、 绿 LED 形 成 白 光 方 式 ， 一 般 称 为 RGB 发 光 ， 上 述 组 合 光 的 3 原 色 形成 白 光 的 方 式 ， 主 要 特 征 为 高 色 再 现 性 。 蓝 光 搭 配 荧 光 体 形 成 白 光 是 目 前 主 流 ， 它 是 利 用 黄 色 荧 光 体 的 吸 收 、 激 发 特 性 ，使 部 份 蓝 色 发 光 转 换 成 黄 色 光 线 ， 蓝 色 光 线 再 与 黄 色 光 线 形 成 白 光 。 IF :顺 向 电 流 (Forward Current)， 表 示 施 加 于 顺 方 向 的 电 流 。 VF :顺 向 电 压 (Forward Voltage)， 表 示 施 加 于 顺 方 向 的 电 压 。 IR :逆 向 电 流 (Reverse Current)， 表 示 施 加 于 逆 方 向 的 电 流 。 VR :逆 向 电 压 (Reverse Voltage)， 表 示 施 加 于 逆 方 向 的 电 压 。 F :光 束 (Luminous Flux)， 它 是 亮 度 的 用 语 ， 表 示 光 线 全 光 量 的 亮 度 。 IV :光 度 (Luminous Intensity)， 它 也 是 亮 度 的 用 语 ， 表 示 某 个 方 向 单 位立 体 角 范 围 内 的 光 线 亮 度 。 p :峰 值 波 长 (Peak Wave)， 表 示 最 大 发 光 强 度 时 的 波 长 。 d :Dominant波 长 (Dominant Wave)， 表 示 人 眼 感 受 的 单 波 长 。 Cx :色 度 坐 标 (Chromaticity x,y)， 它 利 用 x,y坐 标 表 示 颜 色 。 21/2 :指 向 角 ， 光 线 的 发 光 强 度 变 成 1/2 时 ， 表 示 光 线 的 扩 散 角 度 。 LED特 性 参 数 （ 1） 允 许 功 耗 Pm:允 许 加 于 LED两 端 正 向 直 流 电 压 与流 过 它 的 电 流 之 积 的 最 大 值 。 超 过 此 值 ， LED发 热 、损 坏 。 （ 2） 最 大 正 向 直 流 电 流 Ifm： 允 许 加 的 最 大 的 正 向 直流 电 流 。 超 过 此 值 可 损 坏 二 极 管 。 （ 3） 最 大 反 向 电 压 Vrm： 所 允 许 加 的 最 大 反 向 电 压 。超 过 此 值 ， 发 光 二 极 管 可 能 被 击 穿 损 坏 。（ 4） 工 作 环 境 温 度 :发 光 二 极 管 可 正 常 工 作 的 环 境 温度 范 围 。 低 于 或 高 于 此 温 度 范 围 ， 发 光 二 极 管 将 不 能正 常 工 作 ， 效 率 大 大 降 低 。 在 正 向 电 压 正 小 于 某 一 值 （ 阈 值 ）时 ， 电 流 极 小 ， 不 发 光 。 当 电 压超 过 某 一 值 后 ， 正 向 电 流 随 电 压迅 速 增 加 ， 发 光 。 由 V-I曲 线 可 以得 出 发 光 管 的 正 向 电 压 ， 反 向 电 流 及 反 向 电 压 等 参 数 。 正 向 的 发光 管 反 向 漏 电 流 IR10A以 下 。 极 限 参 数 的 意 义 LED的 分 类 1 按 发 光 管 发 光 颜 色 分 按 发 光 管 发 光 颜 色 分 ， 可 分 成 红 色 、 橙 色 、 绿 色 （ 又 细 分 黄 绿 、 标 准 绿 和 纯绿 ） 、 蓝 光 等 。 另 外 ， 有 的 发 光 二 极 管 中 包 含 二 种 或 三 种 颜 色 的 芯 片 。 根 据 发 光 二 极管 出 光 处 掺 或 不 掺 散 射 剂 、 有 色 还 是 无 色 ， 上 述 各 种 颜 色 的 发 光 二 极 管 还 可 分 成 有 色透 明 、 无 色 透 明 、 有 色 散 射 和 无 色 散 射 四 种 类 型 。 2 按 发 光 管 出 光 面 特 征 分 按 发 光 管 出 光 面 特 征 分 圆 灯 、 方 灯 、 矩 形 、 面 发 光 管 、侧 向 管 、 表 面 安 装 用 微 型 管 等 。 最 常 见 的 是 圆 灯 ， 按直 径 分 为 2mm、 4.4mm、 5mm、 8mm、10mm及 20mm等 。 由 半 值 角 大 小 可 以 估 计 圆 形 发 光 强 度 角 分 布 情 况 。 从 发 光 强 度 角 分 布 图 来 分 有 三 类 ： （ 1） 高 指 向 性 。 一 般 为 尖 头 环 氧 封 装 ， 或 是 带 金 属 反 射 腔 封 装 ， 且 不 加 散 射 剂 。 半值 角 为 5 20 或 更 小 ， 具 有 很 高 的 指 向 性 ， 可 作 局 部 照 明 光 源 用 （ 2） 标 准 型 。 通常 作 指 示 灯 用 ， 其 半 值 角 为 20 45 。 （ 3） 散 射 型 。 这 是 视 角 较 大 的 指 示 灯 ， 半 值 角 为 45 90 或 更 大 ， 散 射 剂 的 量 较大 。 按 发 光 强 度 和 工 作 电 流 分 有 普 通 亮 度 的 LED（ 发 光 强 度 100mcd） ； 把 发 光 强 度 在 10 100mcd间 的 叫 高 亮 度 发 光 二 极 管 。 一般 LED的 工 作 电 流 在 十 几 mA至 几 十 mA， 而 低 电 流 LED的 工 作 电 流 在 2mA以 下 （ 亮 度 与普 通 发 光 管 相 同 ） 。 除 上 述 分 类 方 法 外 ， 还 有 按 芯 片 材 料 分 类 及 按 功 能 分 类 的 方 法 。 按 发 光 二 极 管 的 结 构 分 有 全 环 氧 包 封 、 金 属 底 座 环 氧 封 装 、 陶 瓷 底 座 环 氧 封 装 及 玻璃 封 装 等 结 构 。 3 按 发 光 二 极 管 的 结 构 分4 按 发 光 强 度 和 工 作 电 流 分 使 用 LED 的 注 意 事 项LED 的 发 热LED 的 发 光 波 长 若 与 传 统 白 炽 灯 泡 比 较 的 确 不 含 红 外 成 份 ， 也 就 是 说 从 LED 出 射 的放 射 光 几 乎 不 具 热 能 ， 不 过 若 对 LED 施 加 电 流 LED 就 会 发 热 ， 主 要 原 因 是 LED 内 部产 生 的 光 线 只 有 数 30%出 射 到 外 部 ， 除 此 以 外 的 能 量 亦 即 消 费 能 量 的 大 部 份 已 经 转变 成 热 能 ， 因 此 只 要 对 LED 施 加 电 流 LED 就 会 发 热 。以 往 的 LED驱 动 电 流 只 有 数 十 mA， 消 费 电 力 大 约 0.1W左 右 ， 最 近 几 年 消 费 电 力 高 达数 W的 LED陆 续 问 世 ， 装 设 散 热 鳍 片 或 是 将 LED封 装 在 金 属 基 板 ， 主 要 诉 求 都 是 使LED的 发 热 可 以 更 容 易 散 逸 到 外 部 。 提 高 LED的 发 光 效 率提 高 LED的 发 光 效 率 根 本 上 必 需 改 善 LED组 件 本 身 的 输 出 ， 这 意 味 着 组 件 的 封 装 技 术 非 常重 要 。IF一 定 时 的 亮 度一 般 人 都 误 解 一 定 的 顺 向 电 流 IF时 ， LED的 亮 度 也 会 成 为 一 定 ， 然 而 实 际 上 并 非 如 此 ，从 施 加 电 流 一 直 到 温 度 成 为 一 定 为 止 LED的 亮 度 会 持 续 下 降 ， 发 热 稳 定 后 LED的 亮 度才 会 稳 定 下 来 。LED 的 寿 命LED 的 寿 命 一 般 是 以 亮 度 降 至 初 期 值 50%所 需 要 的 时 间 表 示 ， LED 的 寿 命 随 着 发 光 色 、封 装 材 料 、 封 装 树 脂 不 同 也 很 大 差 异 ， 除 此 之 外 使 用 环 境 、 条 件 都 会 改 变 LED 的 寿 命 ， 一 般 而 言 过 酷 条 件 LED的 寿 命 相 对 降 低 。 LED的 应 用 室 内 照 明 可 移 动 照 明 展 示 、 装 饰 照 明 汽 车 尾 灯 甚 至 大 前 灯 LED In Backlight LED的 发 展 趋 势2006年 全 球 发 光 二 极 管 市 场 规 模 62亿 美 元 。 展 望 未 來 发 展 ， 一 般 照 明 、 汽 車 、 显 示 器背 光 源 將 成 為 带 动 市 场 成 长 最 关 键 ， 预 估 2010 年 全 球 市 场 將 成 長 至 103 亿 美 元 。可 見 光 發 光 二 極 體 市 場 比 重 持 續 攀 升高 亮 度 發 光 二 極 體 市 場 快 速 增 長可 攜 式 產 品 市 場 佔 有 率 下 滑產 品 單 價 持 續 下 滑