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1、LED基础知识,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是如何诞生的? 它有怎样的发展历程？,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
2、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
3、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。,LED如何发光?,物体发光 有哪些方式？,物体的 发光方式,：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。,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
4、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：,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。,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
5、。 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1.593.26 eV之间。 在此能量范围之内，带隙
6、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,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） LE
7、D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。,对LED较为重要的电学参数 开启电压UON 正向电流IF 正向电压VF 反向电压VR,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，GaAs1-xPx，Ga1-xAlxAs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 。
8、,正向工作电流IF：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IF在0.6IFm以下。,正向工作电压VF：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IF=20mA时测得的，正向工作电压VF在1.52.8V。功率级LED一般在IF=350mA时测得的，正向工作电压VF在24V。在外界温度升高时，VF将下降。,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。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
9、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IR10A以下反向漏电流IR（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。,VB,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10
10、0PF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tr 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tf 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10-9S。因此它们可用在10100MHZ 的高频
11、系统中。,允许功耗P,当流过LED的电流为IF、管压降为UF ，那么，LED的实际功率消耗P为： P=UFIF 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
12、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
13、。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
14、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
15、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
16、：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
