LED基本原理及技术应用

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1、LED基本原理及技术应用1 LED的概述LED，特别是白色光LED，因其与传统光源相比所具有的理论以及现实的 优越性，受到广大专业人士的青睐。它的出现也为照明界开拓出了一个全新的技术领 域，并为照明节能设计提供了更多的选择。LED照明广泛应用于室外大屏显示、城市 建筑景观照明、手机、笔记本、电视机的背光源以及汽车灯具和太阳能LED照明等， 应用的空间不断升级，市场份额也在不断扩大。LED （Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。 它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的 能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、

2、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明 产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。LED是由III-W族化合物，如GaAs （砷化镓）、GaP （磷化镓）、GaAsP （磷砷化 镓）等半导体制成的，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生P、N架 构。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。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电 压作用下从电极流向P、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低 的能阶，同时以光子的模式释放出能量。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

3、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Mm以内 产生。 理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有 关，即入1240/Eg （mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波 长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光 波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及

4、蓝光发光二极管，但其中蓝光二 极管成本、价格很高，使用不普遍。它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成P、n架构的半导体物料的禁带能 量决定。由于硅和锗是间接带隙材料，在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐 射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极管不能发光。但在极低温的特定温 度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显。发光二极管所 用的材料都是直接带隙型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波 段的光能量。lightP-type Active region N-tpe图1 LED結构发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发出红外线或红光。随着材

5、 料科学的进步，各种颜色的发光二极管，现今皆可制造。电流从 LED 阳极流向阴极时， 调节电流，便可调节光的强度。 如下图所示。图2：:卜询色和元素对右图2 LED的特点电压：LED使用低压电源，供电电压在直流3-24V之间，根据产品不同而异， 也有少数 DC36V、DC40V 等，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用 于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%左右，较节能灯减少 40%左右。 适用性：体积很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状 的器件，并且适合于易变的环境。稳定性：10 万小时，光衰为初始的 50%。响应时间：其白炽灯的响

6、应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。 环境污染:不含有害金属汞等。颜色:发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和禁带宽度， 实现红黄绿蓝橙多色发光。红光管工作电压较小，颜色不同的红、橙、黄、绿、蓝的 发光二极管的工作电压依次升高。价格:LED的价格越来越平民化，因LED省电的特性，也许不久的将来，人们都 会把白炽灯换成 LED 灯。我国部分城市公路、学校、厂区等场所已换装完 LED 路灯、 节能灯等。种类发展:最早应用半导体 P-N 结发光原理制成的 LED 光源问世于 20 世纪 60 年代初。当时所用的材料是GaAsP,发红光（入p=650nm），在驱动电流为20毫安

7、时， 光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1 流明/瓦。70 年代中期，引入元 素In和N，使LED产生绿光（入p=555nm），黄光（入p=590nm）和橙光（入p=610nm）， 光效也提高到1流明/瓦。到了 80年代初，出现了 GaAlAs的LED光源，使得红色LED 的光效达到10流明/瓦.90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN 两种新材料的开发成功，使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2000 年，前者做成的 LED在红、橙区（入p=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区 域（入p=530nm ）的光效可以达到50流明

8、/瓦。3 LED的应用领域3.1 LED显示屏LED 显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高 速发展，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体，如多彩霓虹灯、象素管电视墙、四 色磁翻板相比较，以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、 显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高 等优势，已广泛应用于各行各业。3.2 LED 背光源主要是手机背光光源方面，是 SMD 型产品应用的最大市场。虽然近两年手机的 增长速度已明显趋缓，但全年仍有4亿支水准，以1支手机要LED背光源2颗、按键 6颗SMDLED计算，一年保守4亿支手机需求约32亿颗LED。最近韩国蓝色背光

9、手机 风潮，使蓝光LED的市场供不应求，显见手机在LED应用市场中仍占有举足轻重的地 位。继蓝光手机后，目前市场已是彩屏手机天下。以往彩屏手机是极高端产品，不过 今年主要零组件价格下滑，使得彩屏手机和单色手机的价差缩小，加上厂商的大力促 销，手机的换型潮悄然发生。3.3汽车LED车灯汽车內装使用包括了仪表板、音箱等指示灯，及汽车外部（第三刹车灯、左右尾 灯、方向灯等），目前欧洲系列车种包括奥迪、宝马、福斯等品牌全系列采用高亮度 LED，而车厂中，丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度LED，其他各车厂新 车，也在陆续采用。若再加上前后车灯、刹车灯，交通标志等，与交通有关的市场， 商机非常庞大

10、。在交通标志灯市场方面，全球约有2000 万座交通标志灯，若每年更 新 200 万座，商机可延续 10 年。3.4植物照明LED植物生长灯是种植物灯的一种，它以LED （发光二极管）为光源，依照植物生 长规律必须需要太阳光，用灯光代替太阳光给植物生长发育环境的一种灯具。LED植物灯，有助缩短植物的生长周期，因为这种灯的光源主要是由红蓝光源组 成的，采用植物最敏感的光波段，红光波长使用620-630nm和640-660nm,蓝光波长 使用450-460nm和460-470nm。这些光源都是让植物产生最佳的光合作用，植物得到 最佳的生长状态，实验和实际应用都表明，除了给植物在缺光时间里得到补光外，

11、还 让植物在生长过程中促进多发侧枝和芽的分化，加快根茎叶生长，加快植物碳水化合 物的合成和维生素的合成，缩短了生长周期。4 LED产品“贵”的三大原因4.1 国内企业没有核心技术LED行业的上游的绝大部分核心专利被国外的厂商所掌握。目前，我们没有掌 握核心技术，尽管我们LED应用产品制造能力在全球占到50%,份额占到50%,但利润 却是最低的一环。LED芯片随工艺、数量增长采用更大尺寸晶圆片制作工艺，会不断的降低成本， 近年来每年在20%速度降低，LED芯片价格因数中，要将光效的提升也计入价格降低 中，同样的价格购买了更好的产品LED照明灯具的成本主要在LED芯片，只要芯片 价格降下来，LED

12、的流明单价能降到与现阶段的节能灯相当，室内照明就自然遍地开 花。LED芯片还大有降价空间。4.2 LED应用产品散热难结构设计在灯具中大概占20%, 一直以来中国勤劳人民都会定价很低，20%成本认 为很合理，最大的问题是怎样更有创新，设计更合理。散热成本要维持在5%，实际散热设计很简单，把住两个方向：一是，LED芯片与 外散热器件路径越短越好，越短你的散热设计就越好；二是，散热阻力，就是要有足 够的散热传导路径同时也要有足够的散热道路这部分成本主要在结构，用于散 热成本并不多。4.3 LED应用电源管理电源是LED灯具最薄弱的环节，严重滞后LED灯具发展，品质有待提高。现在设 计占灯具成本的2

13、0%左右，有些高。随着技术发展电源大概在5-10%最为合理。LED成本高，其实是相对目前其他光源来说，作为20世纪90年代才发明蓝光LED, 从而导致LED白光得以实现的LED行业而言，其实现在的成本并不高。尤其是LED 环保、节能、不含汞，而且每季度LED灯具的价格都在往下滑，相信一定可以在较短 的时间内达到人们能够接受的水平。5 LED应用技术的特点5.1 LED的封装技术LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大 的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护 管芯和完成电气互连。而LED 封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作

14、，输出可 见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的 封装用于LED。5.2 LED可见光通讯技术与目前使用的无线局域网（无线LAN）相比，“可见光通信”系统可利用室内照 明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未 来传输速度还可能超过光纤通信。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信 息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等 数据。该系统还具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同 时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的 医院等部门可以

15、自由使用该系统。无需WiFi信号，点一盏LED灯就能上网。一种利用屋内可见光传输网络信号的 国际前沿通讯技术在实验室成功实现。研究人员将网络信号接入一盏1W的LED灯珠， 灯光下的4台电脑即可上网，最高速率可达3.25G,平均上网速率达到150M,堪称世 界最快的“灯光上网”。可见光通讯被称为Lifi。无线电信号传输设备存在很多局限性，它们稀有、昂贵、但效率不高，比如手机， 全球数百万个基站帮助其增强信号，但大部分能量却消耗在冷却上，效率只有5%。 相比之下，全世界使用的灯泡却取之不尽，尤其在国内LED光源正在大规模取代传统 白炽灯。只要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片，便可让灯泡变成

16、无线网络 发射器。5.3 LED焊接技术手工烙铁焊接：手工烙铁焊接是通过烙铁高温熔锡，将引脚同铝基板焊盘焊接到 一起，同时在LED铜基座底部和铝基板之间涂覆导热硅脂的焊接方式。手工烙铁焊 接不论是有铅锡线还是无铅锡线，建议焊接温度都不要超过350C，焊接时间控制在 3-5 S,否则烙铁的高温会对芯片的PN结造成损伤。烙铁焊接过程中，一定要规范 操作，以避免烙铁头将模顶胶体或支架烫伤，影响LED的正常使用，为了避免带电焊 接LED，电烙铁一定要接地。为了取得良好的导热效果，建议使用导热率不低于2W/m 的导热硅脂，而且涂覆时要薄而且均匀，导热硅脂不能少，但也不能过多。焊接完成 后，需安排人员对焊接情况进行全检，将虚焊、翘焊、偏焊等焊接不良的LED及时 挑出并返修。回流焊接：回流焊接是通过回流焊机施加高温让锡膏熔化，将LED铜基座和铝 基板焊接在一起，实现良好的导