LED的基础知识

*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,LED,基础知识,1,LED,的发光原理,LED,的光、色、电特性,LED,的种类,LED,的特点,白光,LED,的实现,LED,的应用,LED,的发展和应用前景,LED是什么?,LED,是“,light emitting diode”,的英文缩写。,中文名,:,发光二极管。,LED,是一种将电能转换为光能的固体电致发光,(EL),半导体器件。,LED,实质性核心结构是由元素谱中的,-,族或,-,族化合物材料构成的,p-n,结。,4,LED是如何诞生的?,它有怎样的发展历程？,5,1907,年，,Henry Joseph Round,在观测金刚砂,(SiC),电致发光的现象时，初次观察到了无机半导体的发光现象。但因为无机半导体发出的黄光太过暗淡，他很快就放弃了这方面的研究。,到,20,世纪,20,年代，德国科学家,O.W.LOSSOW,在研究,SiC,检波器时，再次观察到这种现象，但当时受到材料制备和器件工艺水平的限制，没有被迅速利用。,1962,年，,GE,公司,Nick Holonyak,带领的一个团队成功演示出第一个红光,GaAsP,发光二极管，仅,6,年后，,Monsanto(,孟山都,),研发的指示灯以及,Hewlett-Packard,（,IBM,）研发的电子显示屏就将商业化,LED,推向了市场。,1965,年仅,0.1LM/W,，指示灯,1968,年，人们通过,N,掺杂工艺，使,GaAsP LED,的发光效率达到,1lm/w,并出现了橙色光和黄色光。真正具有了商业价值。,到,20,世纪,80,年代，使用,AlGaAs(,砷镓化铝,),的第一代超亮,LED,诞生。产品首先是红色、然后是黄色，最后是绿色。应用领域多,到,20,世纪,90,年代，日本东芝公司和美国的,HP,公司，先后研发成功双异质结与多量子阱结构的橙色和黄色,InGaAlP(,铟镓铝化磷,),的组合又被用来生产超亮红色、桔色、黄色及绿色,LED.,20,世纪,90,年代中期，日本的日亚（,NICHIA,）公司和美国的,CREE,公司，分别在蓝宝石和,SIC,衬底上成功研发了超亮蓝光,GaN(,氮化镓,)LED,，高亮度绿光、紫光及蓝光,InGaN(,氮化铟镓,)LED,随后也研发成功。,6,发展阶段,年份,发展进程,发光效率,（,lm/w,）,应用领域,指,示,应,用,1962,GaAsP,红光,LED,（样品）,30,2005,InGaAlPGaAs,、,InGaNSiC,彩色,LED,50,2007-2009,功率级白光,LED,100,7,LED如何发光?,物体发光,有哪些方式？,9,物体的,发光方式,冷光,热光,：又叫热辐射，是指物质在高温下发出的光。,：某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。,白炽灯：当钨丝在真空或是惰性气体中加热至很高的温度，就会发出白光。,生物发光：萤火虫,化学发光：荧光粉,阴极射线发光：荧光灯、,金卤灯,场致发光：无极灯,电致发光：,LED,10,电致发光原理：电场的作用激发电子由,低能态跃迁到高能态,，当这些电子从高能态回到低能态的时候，根据能量守恒原理，多余的能量将以光的形式释放出来。,目前发光二极管用的都是直接带隙材料,GaAs,Si,直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（,Radiative Transition,）有以下可能性：,导带,价带,（）带间复合,导带,价带,（）自由激子相互抵消,（）在能带势能波动区，局部束缚激子的复合,图（）和（）是一般红光产生光的原理，而图（）是蓝光产生光的原理,LED,自发性的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。,当,LED,两端加上正向电压，电流从,LED,阳极流向阴极时，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光。,E,光子,LED为什么会发,不同颜色的光?,光的本质是什么?,光是一种能量的形态，是一种电磁波。,在同一介质中，能量从能源出发沿直线向四面八方传播,这种能量传递的方式通常叫做辐射。,通常可以用波长来表达人眼所能感受到的可见光的辐射能量。,人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁波谱家族中的很小空间。,各种颜色光的波长,光色,波长,（,nm),代表波长,红（,Red,）,780,630,700,橙（,Orange,）,630,600,620,黄（,Yellow,）,600,570,580,绿（,Green,）,570,500,550,青（,Cyan,）,500,470,500,蓝（,Blue,）,470,420,470,紫（,Violet,）,420,380,420,光的峰值波长,与发光区域的,半导体材料禁带宽度,g,有关，即 ,1240/Eg,（,mm,）,电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度,Eg,。,Eg,越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会蓝移。反之，,Eg,越小，所发出的光子波长就越长，颜色就会红移。,若要产生可见光（波长在,380nm,紫光,780nm,红光），半导体材料的,Eg,应该在,1.59,3.26 eV,之间。,在此能量范围之内，带隙为直接带的,-,族或,-,族半导体材料只有,GaN,、,GaP,等少数材料，也可以利用,-,族或,-,族二元化合物组成新的三元或四元,-,族或,-,族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。,光的颜色与芯片的材料有关系。,材料不一样，电子和空穴复合的能量不一样，发出的光也不一样。,红、黄光芯片的主要材料：,AlGaInP,、,GaAlAs,蓝、绿光芯片的主要材料：,GaN,、,InGaN,窗口层,P-,限制层,N-,限制层,活性层,布拉格反射层,衬底,LED的主要,参数与特性,LED,是利用化合物材料制成,pn,结的光电器件。它具备,pn,结结型器件的特性：,（,1,）,电学特性,（,2,）光学特性,（,3,）热学特性,电学特性,I-V,特性,响应时间,允许功耗,LED,的伏,-,安（,I-V,）特性,（,1,）,LED,的伏,-,安（,I-V,）特性是流过芯片,PN,结电流随施加到,PN,结两端上电压变化的特性，它是衡量,PN,结性能的主要参数，是,PN,结制作优劣的重要标志。,（,2,）,LED,具有单向导电性和非线性特性。,0,I,F,反向死区,V,B,死区电压,正,向,工,作,区,击穿区,正向电流,对,LED,较为重要的电学参数,开启电压,U,ON,正向电流,I,F,正向电压,V,F,反向电压,V,R,B,C,E,开启电压：,电压在开启点以前几乎没有电流，电压一超过开启点，很快就显出欧姆导通特性，电流随电压增加迅速增大，开始发光。开启点电压因半导体材料的不同而异。,GaAs,是,1.0V,，,GaAs,1-x,P,x,，,Ga,1-x,Al,x,As,大致是,1.5V,（实际值因,x,值的不同而有些差异），,GaP,（红色）是,1.8V,，,GaP,（绿色）是,2.0V,，,GaN,为,2.5V,。,正向工作电流,I,F,：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择,I,F,在,0.6I,Fm,以下。,正向工作电压,V,F,：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。小功率彩色,LED,一般是在,I,F,=20mA,时测得的，正向工作电压,V,F,在,1.5,2.8V,。功率级,LED,一般在,I,F,=350mA,时测得的，正向工作电压,V,F,在,2,4V,。在外界温度升高时，,V,F,将下降。,最大反向电压,V,Rm,：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。反向击穿电压也因材料而异，一般在,-2V,以上即可。,反向漏电：当加反向电压时，外加电场与内建势垒电场方向相同，便阻止了多数载流子的扩散运动，所以只有很小的反向电流流过管子。但是，当反向电压加大到一定程度时，结在内外电场的作用下，把晶格中的电子强拉出来，参与导电，因而此时反向电流突然增大，出现,反向击穿现象,。正向的发光管反向漏电流,I,R,10A,以下反向漏电流,I,R,（,V= -5V,）时，,GaP,为,0,，,GaN,为,10uA,。反向电流越小，说明,LED,的单向导电性能越好。,V,B,3.0v,350mA,AlGaInP LED,-100mA,-20v,3.4v,350mA,InGaN LED,-100mA,-7v,LED,的电容一般包括,PN,结结电容和内引线分布电容等在内的总电容,PN,结电容占主要地位。,鉴于,LED,的芯片有,99mil (250250um),，,1010mil,，,1111mil (280280um),，,1212mil (300300um),，及封装结构的不同，电容量也不同，有的远小于,1PF,，有的则达,100PF,以上。,C-V,特性呈二次函数关系。由,1MHZ,交流信号用,C-V,特性测试仪测得。,LED C-V,特性,响应时间,LED,响应时间是指：通一正向电流时开始发光和熄灭所延迟时间，标志,LED,反应速度。,响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。,LED,的点亮时间,上升时间,t,r,是指接通电源使发光亮度达到正常的,10%,开始，一直到发光亮度达到正常值的,90%,所经历的时间。,LED,熄灭时间,下降时间,t,f,是指正常发光减弱至原来的,10%,所经历的时间。,不同材料制得的,LED,响应时间各不相同；如,GaAs,、,GaAsP,、,GaAlAs,其响应时间小于,10,-9,S,。因此它们可用在,10100MHZ,的高频系统中。,允许功耗,P,当流过,LED,的电流为,I,F,、管压降为,U,F,，那么，,LED,的实际功率消耗,P,为：,P=U,F,I,F,LED,工作时，外加偏压、偏流一部分促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。,若结温大于外部环境温度时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量。,为保证,LED,安全工作，应该保证实际功率在最大允许功耗范围内。,光学特性,空间分布,光谱分布,光学参数,LED,发光强度的空间分布,发光强度的空间分布又叫配光曲线。,空间分布不均匀,LED,辐射的空间特性取决于封装半导体芯片结构及封装形式。,封装好的,LED,内可能带有内部反射杯、透镜以及一些散射和滤色材料。,发光面和角分布,光谱特性,LED,光辐射光谱分布有其独特的一面。它不是单色光（如激光），也不是宽光谱辐射（如白炽灯），而是介于两者之间：有几十纳米的带宽、峰值波长位于可见光或近红外区域。,LED,的波长分布有的不对称，有的则有很好的对称性，具体取决于,LED,所使用的材料种类及其结构等因素。 改变发光层的电致发光层结构及合金组分的比例，都会引起谱线的峰值波长和半宽度的变化。,LED,光谱特性表征其单色性的优劣和其主要颜色是否纯正。,YAG,荧光粉,LED,的光学参数,光谱半宽度,峰值波长,中心波长,光谱分布和峰值波长：有的发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图所示。该发光管所发之光中某一波长,P,的光谱能量（光强）最大，该波长为峰值波长。只有单色光有峰值波长，不同颜色的,LED,峰值波长是不同的，红光,LED,的峰值波长一般为,690nm,左右。蓝光,LED,的峰值波长一般为,470nm,左右。,光谱半宽度,:,它表示发光管的光谱纯度。是指图,3,中,1/2,峰值光强所对应两波长之间隔。中心波长入是指,A,、,B,的中点处对应的波长。,热学特性,当电流流过,LED,时，其,PN,结的温度（简称结温）将升高，严格意义上说，就把,PN,结区的温度定义为,LED,的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把,LED,芯片的温度视之为结温。,结温的变化将引起,LED,光输出、发光波长及正向电压的变化。,LED,的最高结温与所使用的材料及封装结构有密切关系。,热的损害,当,LED,的结温升高时，材料的禁带宽度将减少，导致,LED,的发光波长变长，颜色红移。一般情况下，,LED,的发光波长随温度变化为,0.2-0.3nm,，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。,在室温下，结温每升高,1,，,LED,的发光强度会相应地减少,1,左右。,结温上升的原因,a,、元件不良的电极结构,b,、,PN,结的注入效率不 完美,c,、出光效率的限制,d,、,LED,元件的热散失能力。,降低LED结温的途径,a,、减少,LED,本身的热阻,b,、控制额定输入功率,c,、减少,LED,与二次散热机 构安装介面之间的热阻,d,、良好的二次散热机构,e,、降低环境温度,LED与普通,光源有什么区别?,高效率,：发光效率高，一个两瓦的,LED,灯相当于一个,15,瓦的普通白炽灯灯泡的 照明效果,寿命长,：,LED,灯最长可达,100000,小时；,LED,半衰减期可达,50000,小时以上,低耗电,：比同光效的白炽灯最多可节省百分之七十,低故障,：,LED,是半导体元件，与白炽灯和电子节能灯相比，没有真空器件和高压触发电路等敏感部件，故障极低，可以免维修,绿色、环保,：单色性好，,LED,光谱集中，没有多余红外、紫外等光谱，热量、辐射很少，对被照物产生影响少。而且不含汞有害物质，废弃物可回收，没有污染,方向性强,：平面发光，方向性强。它与点光源白炽灯不同，视角度,180,，设计时一定要注意和利用,LED,光源有不同的视角度和不能大于,180,的特点,快响应,：响应时间短，只有,60ns,，启动十分迅速；白炽灯是毫秒数量级,低电压,：驱动电压低，工作电压为直流，安全,小体积,：体积小、重量轻。利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具；背光源产品,多色彩,：,LED,色彩鲜艳丰富。不同的半导体材料，不同颜色的光。颜色饱和度达到,130%,全彩色不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果,控制方便,:,只要调整电流，就可以随意调光，使灯光更加清晰柔和让人感觉更加舒服,LED都有哪些种类?,按发光管发光颜色分 ：,红色、黄色、橙色、绿色、蓝光,等，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成还可分有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。,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。圆形灯按直径分为,2mm,、,4.4mm,、,5mm,、,8mm,、,10mm,及,20mm,等。国外通常把,3mm,的发光二极管记作,T-1,；把,5mm,的记作,T-1,（,3/4,）；把,4.4mm,的记作,T-1,（,1/4,）。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。（,2,）标准型。其半值角为,20,45,。（,3,）散射型。半值角为,45,90,或更大，散射剂的量较大。,按发光二极管的结构分 ：,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。,按发光强度和工作电流分 ：,普通亮度的,LED,（发光强度,10mcd,）；超高亮度的,LED,（发光强度,100mcd,）；把发光强度在,10100mcd,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）。,按工作功率分：,小功率,（,0.06W,）、,功率型,（,0.06W1W,）、,大功率,（,1W,）。,白光LED是如何,实现的?,用不同颜色及数目,LED,加荧光粉所做成的白光,LED,的优点及缺点,如何衡量白光LED的优劣？,应用的白光,LED,技术指标,光通量：一个,5 LED,的光通量仅为,1lm,左右，而用作照明的白光功率,LED,希望达到,1Klm,。由于,15W,白炽灯效率较低，仅,8lm/w,，所以一个,15W,白炽灯的光通量，与,25lm/w,的白光功率,LED5W,器件相当。,发光效率：目前产业化产品已从,15lm/w,提高到,100lm/w,以上。,色温 ：在,2500K-10000K,之间，最好是,2500K-5000K,之间。,显色指数,Ra,最好是,100,。目前可以达到,85,。,稳定性：波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。,寿命 ：,5,万小时至,10,万小时。,LED有哪些应用?,路灯,射灯,交通信号灯,汽车雾灯,汽车尾灯,目前是什么阻碍了,LED的大规模应用?,应用设计,二次光学设计、驱动电源设计,散热,作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保,LED,长期工作。,芯片成本,价格是直接影响,LED,照明普及速度的关键因素。人们期望以,LED,灯的购置成本,+,能源成本,+,维护成本,+,废弃物处理成本比白炽灯和荧光灯低，但消费者仍以购置成本为选择标准，,LED将来如何发展？,一是做小尺寸小,二是做大功率大,三是做快散热快,四是做低成本低,五是独立集成,LED应用前景方向,显示、景观,室外照明：道路、停车场,室内照明,背光源,特殊照明：矿井、医院、博物馆、冰柜、仓库、情景照明,汽车照明,商用照明,感谢您的聆听！,有问题可与我探讨,QQ:32124305,导带,价带,