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LED器件技术培训 目录 LED概述LED器件应用基础 光度学与色度学 视觉特性 图像质量的评价LED器件工作原理 半导体基本发光原理 LED器件参数 LED器件特性曲线 LED器件参数的测试 LED器件的驱动方式 LED器件使用的注意事项LED制造工艺流程 LED概述 LED LightEmittingDiode 又称发光二极管 它们利用固体导体芯片作为发光材料 当两端施加正向电压 半导体中的载流子发生复合 放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光 LED器件应用基础 光度学定义 光度是对有关光的辐射能量与人眼亮度感受两者关系的描述 在LED器件中常用发光强度来说明器件的光度特殊性 发光强度定义为光源在单位立体角内发出的光通量 用I表示I d d 光通量单位为流明 lm 立体角单位为立体弧度 I发光强度单位为坎德拉 cd LED器件应用基础 何谓光 定义 光是电磁波的一种 波长在0 1mm 10nm之电磁波称为光 可见光的波长范围为380nm 760nm 波长在760nm 0 1mm的为红外线光 波长超过0 1mm的是电波 而波长在380nm 10nm的为紫外线光 波长小于10nm的是X线光 LED器件应用基础 色度学定义 有关色彩形成与彩色视觉关系的描述 在不同环境下 肉眼对不同颜色光线的敏感程度不同 如在暗视觉敏曲线中最敏感部位光线的波长比暗视觉敏曲线中之波长小于50nm 两者最敏感光线有所不同 波长定义 波长是决定半导体发光之颜色的主要参数 且不同波长其发光颜色也隨之变化 可见光之波长介于380nm 760nm之间 大致分类为 暗红色 700nm 深红色 640 660nm 桔红色 615 635nm 琥珀色 600 610nm 黄色 580 595nm 黄绿色 565 575nm 纯绿 500 540nm 蓝色 435 490nm 紫色 380 430nm 明暗相对视明函数曲线 波长 暗视觉 明视觉 LED器件应用基础 视觉特征 是各种显示设备设计时需认真考虑的一个重要因素 它大部份取结于人的主观感受 应注意以下几点 1 亮度的对比灵敏度 2 空间分辨力 3 马赫效应 4 视沉惰性 图像质量的评价 1 满足显示效果之要求 如发光亮度 颜色等 2 检定人必须客观公正 按行业之标准进行适度地评判 LED器件的工作原理 半导体基本发光原理 发光二极管 LightEmittingDiode 是由半导体材料制成的元件 其晶片发光原理是 在晶片的PN结上加正向电压时 载流子的扩散运动大于漂移运动 致使P区的空穴 即电洞 注入到N区 N区的电子注入到P区 在相互注入的电子和空穴相遇后就产生复合 复合时发出的能量则大部份以光的形式出现 晶片的发光部分是PN接合部份 即PN结面 一般部份称为活性层 进行发光 再从晶片表面向外发出 LED器件的工作原理 LED器件技术参数在工程应用中 正确掌握和理解LED器件的参数成功设计的基础 LED器件的参数可以分为电参数 光参数和结构参数 一 极限参数极限参数是指在应用中不得超过的各种量值 极限功耗PM Led器件正常工作于正偏置状态 正向电流沿正向电压方向流过 电场做功一部份转化成为光能 还有相当部份转化为热能 引起PN结发热 使结温上升 当温度上升达到其最大值TJM时 器件的耗散功率就不允许增加 这时的功率即为极限功耗PM 极限工作电流IFM 极限工作电流是因极限功耗而引起的参数 当LED器件处于正偏置时 其正向电压的变化很小 引起耗散功率增加的原因是正向电流的增加 LED器件的工作原理 最高允许反向电压VS LED器件也和其它二极管一样 在反向偏置时当反向电压加大到一定程度就会引起击穿 LED器件的反向击穿电压相当低 一般只有四五伏特 而且LED器件一旦击穿之后 就会造成永久性的损坏 因此不要对LED器件进行反向击穿试验 在进行破坏试验时是可以测试反向击穿电压的 最大允许正向脉冲电流IFP LED发光器件 在一定频率 一定占空比的正向电流驱动下 所能承受的最大正向脉冲电流就是最大允许正向脉冲电流 由于是在脉冲方式下工作 所以在同等结温限制条件下 正向脉冲电流的最大允许值要比直流值大 LED器件的工作原理 电参数顺向电压 VF 一般指在一定的正向工作电流条件下并能使晶片导通的正向压降 VF随IF的变化而稍有变化 其值也与温度有关 随温度的上升VF有所下降 VF之值视LED器件所用半导体材料的不同而不同一般在1 7V 3V之间 顺向电压过大 会使晶片击穿 即烧死 顺向电流 IF 是指晶片在施加顺向电压后 所产生的一个正向导通电流 此电流大小 是跟VF值的大小有关 一般晶片正常工作电流在10mA 20mA左右 瞬间承受最大电流一般可达到160mA 200mA左右 逆向电压 VR 是指施加到晶片上的反向电压 逆向电流 IR 是指晶片施加反向电压后 所产生的一个漏电流 此电流是越小越好 因为电流大了容易造成反向击穿 导通时间Ton 当器件在脉冲电流驱动下工作时 在脉冲的下降沿从受激射开始到达到发光强度稳定值的90 为止所需要的时间 截止时间Tct 当器件在脉冲电流驱动下工作时 在脉冲的下降沿从受激辐射结束到发光强度下降到稳定值的10 为止所需要的时间 LED器件的工作原理 光参数发光强度IV 沿LED发光器件发光面法线方向的发光强度 由于发光强度与正向电流有关 所以在表明发光强度时应该以一定的正向工作电流为条件 一般取IF 20mA 参IV与IF特性曲线图 发光波长 P 普通LED器件所发出的光 其光谱在一个较窄的波长范围内变化 不同波长之所发出的光强也有所不同 其值与LED器件所用半导体材料有关 LED器件的工作原理 特性曲线发光强度IV与正向电流IF的关系曲线总体上看发光强度是随正向电流的增加而增加的 但是不同半导体材料制成的LED器件 其发光强度IV与正向电流IF的变化关系有所不同 不同的IV与IF的关系曲线描述了为达到所需要的发光强度 LED应该用多大的电流来驱动 曲线越陡 达到同样发光强度所需要的驱动电流越小 因而发热量就小 有利于器件的工作 LED器件的工作原理 伏安特性发光二极管的电流与电压之间的关系和其它电器元件一增 称为伏安特性 由于LED器件的主要功能是发光 因此正向特性十分重要 而反向特性意义不大 所以LED器的伏安特性一般就是指它的正向特性 发光二极管的伏安特性与一般二极管基本相似 只是开始导通的正向电压比较大 大约在1 6V 3 0V之间 视不同的半导体材料而定 正向伏安特性曲线 LED器件参数的测试 LED器件参数包括以下两个 1 电参数的测量2 光参数的测量 LED器件的工作原理 LED器件的驱动方式从LED器件的发光机理可以知道 当向LED器件施加正向电压时 流过器件的正向电流使其发光 因此LED的驱动就是如何使它的PN结处于正偏置 而且为了控制 调节 它的发光强度 还要解决正向电流的调节问题 具体的驱动方法可以分为直流驱动 恒流驱动 脉冲驱动和扫描驱动等 直流驱动直流驱动是最简单的驱动方法 由电阻R与发光二极管LED串联后直接连接到电源Vcc上 连接时令LED的阴极接电源的负极方向 阳极接正极方向 只要保证LED处于正偏 发光二极管与电阻的位置是可以互换的 在直流驱动方式可分串联与并联两种 R Vcc LED LED直流驱动 LED器件的工作原理 恒流驱动由于LED器件正向特性比较陡 加上器件的分散性 使得在同样电源电压和同样的限流电阻的情况下 引起发光强度的差异 所以在使用LED器件时可以选用晶体管进行匹配使用 因晶体管的输出特性具有恒流性质 参例 基极电流控制 基极电压控制 LED器件的工作原理 脉冲驱动利用人眼的视觉惰性 采用向LED器件重复供电的方法使之点亮 就是通常说的脉冲驱动方式 脉冲驱动方式时应该注意两个问题 a 脉冲电流幅值的确定 b 重复频率的选择 脉冲驱动的主要应用有两个方面 扫描驱动与占空比控制 a 扫描驱动的主要目的是节约驱动器 简化电路 b 占空比控制的主要目的是调节器件的发光强度 多用于图像显示中灰度级控制 两者兼容 Ia 1 t idt If Ton T LED脉冲驱动 LED器件的工作原理 扫描驱动扫描驱动是通过数字逻辑电路 使若干LED器件轮流导通 用节省控制驱动电路 R1 R2 Rn LEDn LED1 Ton1 Ton2 Toff1 Toffn Tonn LED器件的工作原理 LED器件使用的注意事项LED二极管焊接过程的技术要求白光 蓝光 绿光同白光 LED二极管在焊接的过程中请严格遵守以下要求操作 1 工人生产时一定要戴防静电手套 防静电手腕 电烙铁一定要接地 严禁徒手触摸白光LED的两只引线脚 因为白光LED的防静电为100V 而人在工作台上工作湿度为60 90 时人体的静电会损坏发光二极管的结晶层 工作一段时间后 如10小时 二极管就会失效 不亮 严重时会立即失效 2 焊接温度为260 3秒 温度过高 时间过长会烧坏芯片 为了更好地保护LED LED胶体与PC板应保持2mm以上的间距 以使焊接热量在引脚中散除 3 LED的正常工作电流为20mA 电压的微小波动 如0 1V 都将引起电流的大幅度波动 10 15 因此 在电路设计时应根据LED的压降配对不同的限流电阻 以保证LED处于最佳工作状态 电流过大 LED会缩短寿命 电流过小 达不到所需光强 LED器件的工作原理 正确选择和应用LED器件 为了使LED显示屏达到理想的显示效果 需要正确选择和运用LED器件 应该注意以下各点 正确选择LED器件的发光强度 正确选择器件发光的颜色 有助于提高显示亮度的主观感受 在LED显示屏的安装方面需要注意的问题 主要有屏体大小与观察距离的关系和安装倾角等 屏体安装时 应注意器件发光的指向性 当屏体安装高度很高时 应该使屏体保持一定的倾角 以便使发光的主要方向指向最佳观察位置 此外 屏体的安装还要注意显示屏的电磁辐射对外界影响 以及外界电磁辐射对显示屏的影响 户外显示屏为避免阳光照射造成反差降低的后果 可以考虑加装整体的或分散到每个光源的遮光板或罩 Led工艺制造流程 上游磊晶中游晶粒下游封装 晶片制程 是由 族化合物 如GaAS GaP GaASP GaALAS InGaALP GaN等半导体制成的 其核心是PN结 因此它具有一般P N结的I N特性 即正向导通反向截止 击穿特性 此外 在一定条件下 它还具有发光特性 在正流子 少子 一部分与多数载流子 多子 复合而发光 若能产生可见光 波长在380mm紫光 780nm红光 在半导体中会使有到几个名词 1 传导带 是指有自由移动电子存在之场所 2 价电子带 是指不能自由移动之电子存在之场所 3 禁制带 是指在价电子带和传导带之间 是没有电子亦没有空穴 电洞 之间隙 晶片发光颜色 即波长 和能量的关系 其中E 电子 或电洞 之放出能量 C 光速 3 108m s 波长h 普郎克 Planck 常数 6 626 10 34J S转换后 120 E 所以说晶片的发光颜色跟能量的大小有关 能量越小 波长就越长 而能量的大小是跟禁制带的宽度有关 禁制带越宽 能量就越大 波长就越小 例 镓砷 GaAs 之禁制带宽度 即带隙 为1 35Ev 1240 1 35 918nm为红外线LED镓磷 Gap 之禁制带宽度为2 24eV 1240 2 24 554nm为纯绿色LED 产品展示 LED点阵 LED户外显示屏 LED灯饰 LED数码管 电性参数 色谱 LED DISPLAY的结构及用途 LED DISPLAY的结构 物料名称 PIN针 引脚 PCB 线路板 LED CHIP 晶片 银胶 REF 反射盖 铝线 Epoxy resin 环氧树脂 结束语 TheendTKS