《LED光电基础知识ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED光电基础知识ppt课件（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、LED 光电基础知识 1;.目錄1.甚麼是LED2.LED的優點/缺點 3.LED的光學特性4.LED測試的基本概念5.白光LED6.總結2;.1. 甚麼是LEDnLight Emitting Diode (發光二極管)n二極管(Diode)的一種n有着和二極管相同的电学特性n會發光 (可見光或不可見光,如IR, UV)二極管發光二極管符號 3;.1. 甚麼是LEDn基本结構:1. 襯底2. n-GaN3. p-GaN4. MQWs5. 金屬接觸/电極6. 基座 (optional)4;.1. 甚麼是LEDn二極管半導体器件以電壓控制電流的器件n正向偏壓 (forward bias) 當电壓大
2、於開啟电壓(Vf)後电流可通過n反向偏壓 (reverse bias) 漏電 (leakage current)當电壓大於擊穿電壓(breakdown voltage)後电流可通過5;.1. 甚麼是LEDI-V特性6;.1. 甚麼是LEDnLED為甚麼會發光?當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量 多層量子阱 -增加複合機會LED內部工作原理7;.1. 甚麼是LEDnLED為甚麼會發光?並不是所有半導體都會發光nDirect band-gap (可發光, e.g. GaN, GaAs)nIndirect band-gap (不可發光, e.g. Si)8
3、;.2. LED的優點/缺點 n優點發光(能量轉換)效率高 - 也即較省電。比燈泡高，但與螢光燈相約。反應(開關)時間快 - 可以達到很高的閃爍頻率。 使用壽命長 - 達35,000 50,000小時，相對螢光燈為10,000 15,000小時，白熾燈為1,000 2,000小時。 耐震蕩等機械衝擊 - 由於是固態元件，相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震蕩。 體積小 - 其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。 便於聚焦 - 因發光體積細小，易於而以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外形，方向性從大角度的散射以至集中於細角度都可以達到。 多種顏色 - 能在不加濾光器下提供多種不同顏色，而
4、且單色性強。 色域豐富 - 白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣 9;.2. LED的優點/缺點n 缺點 散熱問題，如果散熱不佳會大幅縮短壽命。 除非購買高級產品、否則省電性還是低於螢光燈（冷陰極管，CCFL），有些LED的省電性也低於省電燈泡省電燈泡。 初期成本較高。 因光源屬於方向性，燈具燈具設計需考量光學特性。 10;.3. LED的光學特性n發展初期，採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線或紅光。n1993年，當時在日本日亞化工日亞化工（Nichia Corporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵氮化鎵（GaN）和銦氮化銦
5、氮化鎵鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光LED，這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。 n隨著材料科學的進步，各種顏色的發光二極體，現今皆可製造。11;.3. LED的光學特性n材料決定了波長,而波長決定了發光顏色nInGaN/GaN (銦氮化鎵/氮化鎵)是現時APT製造LED的主要外延材料nAPT白光LED:籃光LED +黃磷Reference: 12;.3. LED的光學特性nEnergy Gap (禁带宽度), 波長與 lattice constant (晶格常数)的關係nGreen gap AlInGaP, InGaN 绿光发光效率都低Green gap13;.3. LED的
6、光學特性14;.4. LED測試的基本概念 n正向偏壓 (Vf1, Vf2, If)n反向偏壓, ESD (Vr, Ir)n峰值波長 (WLP)nFWHMn主波長 (WLD)n亮度(LOP, lm, mcd, mW)n光分佈15;.4. LED測試的基本概念 n正向偏壓(If1, Vf1, Vf2, J)If1 -正向電流/工作電流,一般根據芯片大小決定,如1mm x 1mm芯片為350mA.Vf1 -正向電壓, 一般為對應If1的工作電壓.Vf2 - 正向電壓, 業界定Vf2用作監控產品的漏電情况,一般以10uA作測試,大於2-2.2V為合格.J - 電流密度,在比較不同尺寸芯片性能時,一般
7、會用J取代I.Pin - 輸入工率,即 If x Vf,單位 W, 亦有以此作產品定義,如1mm x 1mm定義為 1W芯片.16;.4. LED測試的基本概念n影響Vf的因素:電阻值(R)大nLED電阻值p-GaN, n-GaN (internal)p, n-Ohmic contact (contact)Metal layer layout, wire, packageetc(external)VIidealnormalHigh VfV=IRMQWRint-pRint-nRcont-pRcont-nRext-nRext-p17;.4. LED測試的基本概念 n反向偏壓, ESD (Ir, V
8、r, Vbr, VESD)Ir - 反向電流,在理想的情况下,此數值為零;但實際會有極小的電流,一般稱為漏電.Vr - 反向電壓,業界多定 Vr = -5V作為Ir的測試條件Vbr - 擊穿電壓,當Vr Vbr, Ir會急速上升.VESD - 抗静電電壓,一般以高脈衝電壓作測試. 抗静電電壓的高低一般取決於材料的質量.亦可外加ESD保護器件.18;.4. LED測試的基本概念nIR成因:晶體缺陷 (Defects)n當電壓大於缺陷可承受的電壓 (如VESD)n可能導致缺陷擴大短路 (Short circuit)n光刻缺陷n污染物nESD保護電路齊納(稽納)二極體 VI19;.4. LED測試的
9、基本概念 n峰值波長 WLP nFWHM -見右圖,一般要求不多於20nm.20;.4. LED測試的基本概念 n主波長 WLD,在測試LED顏色時,可得到 CIE 1931座標,由white point起至所得的座標作一直線並申延至尺上波長.業界使用WLD較WLP為多.CIE 193121;.4. LED測試的基本概念 n亮度 (LOP or Iv)Solid angle (立體角): Unit srradiant flux: Unit Watt (W)luminous flux: Unit lumen (lm)Radiant intensity (Ie): Unit W/srLuminou
10、s intensity (Iv): Unit lm/sr or candela (cd)Radiant 輻射 (電學)Luminous 發光 (光學)22;.4. LED測試的基本概念n電學光學是靠 Photopic Luminosity function轉換n人對555nm (綠色)最敏感n555nm, 1W = 683lmPhotopic luminosity functions 475nm, 1W = 683 x 0.1 =68.3lm23;.4. LED測試的基本概念nAPT亮度提高方法外延方面nCurrent blocking layer - 阻擋電子流過,增加電洞和電子相遇的機會n
11、PSS - 尺寸, 減少光子在器件內全反射從而增加出光效率,對減少外延位错有幫助nnPSS - n尺寸,進一步增加出光效率及減少外延位错P-金屬層反光率 n先決條件: 平滑的p-GaN表面n由A系 50%改良至B系80%,年初上升至95%Current blocking layer24;.4. LED測試的基本概念25;.4. LED測試的基本概念n光分佈26;.5. 白光LEDn紅綠藍系統(RGB system)有了藍光LED之後，結合原有的紅光LED和綠光LED便可產生白光，這樣產生的白光LED有很廣的色域，但由於成本相當高，大部份白光LED很少採用這方法，現在只有只有在高檔次、有高要求的
12、產品中使用。 27;.5. 白光LEDn磷光劑白光LED現在大部份的白光LED都採用單一發光單元發出較短波長的光(如藍光或紫外光)，再用磷光劑把部份或全部光轉化成一或多種其他顏色的光(波長較長的光)，當所有光混合起來後，看起來便像白光。28;.5. 白光LEDn色温 Color temperature以絕對溫度K來表示，即將一標准黑體加熱，溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時，我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫 名名稱稱說明說明暖色光暖色光的色溫在3300K以下，暖色光與白熾燈相近，紅光成分較多，能給人以溫暖，健康，舒適的感受。適用與
13、家庭，住宅，宿舍，賓館等場所或溫度比較低的地方。冷白色光又叫中性色，它的色溫在3300K到5300K之間，中性色由於光線柔和，使人有愉快，舒適，安詳的感受。適用與商店，醫院，辦公室，飯店，餐廳，候車室等場所。冷色光又叫日光色，它的色溫在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感覺，使人精力集中。適用與辦公室，會議室，教室，繪圖室，設計室，圖書館的閱覽室，展覽櫥窗等場所。29;.5. 白光LED30;.5. 白光LEDn顯色性 (CRI)光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基准光（太陽光）照明時顏色的偏離，能較全面反映
14、光源的顏色特性顯色性高的光源對顏色表現較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色表現較差，我們所見到的顏色偏差也較大。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100，各類光源的顯色指數各不相同，如：高壓鈉燈顯色指數Ra=23，熒光燈管顯色指數Ra=6090。 31;.5. 白光LEDn光效： 衡量光源節能的重要指標，就是光源發出的光通量除以光源所消耗的功率。單位：流明/瓦（lm/W）。例子: APT 45mil白光產品I = 350mA, V = 3.2V, 白光光通量 = 100lm光效= 100lm / (350mA x 3.2V)= 89.3lm/W現時市場主流 80lm/W350mACree實驗品 161lm/W350mA32;.5. 白光LED光源效（Lm/W）壽命普通燈泡131倍石英鹵素燈182倍電燈泡(含安定器)655倍傳統日光燈755倍PL型日光燈(即U型日光燈)8010倍三波長日光燈管9510倍白光LED燈80-100100倍n參考數據： 33;.6.總結nLED是二極管的一種, 有着類似的電學特性.n當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量n各種顏色的發光二極體，現今皆可製造。n正向偏壓, 反向偏壓, 峰值波長, FWHM, 主波長, 亮度, 光分佈n白光LED的製造n色溫,顯色性,光效34;.
