发光二极管概论.doc

《发光二极管概论.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发光二极管概论.doc（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、word 文档可编辑 发光二极管概论 发光二极管，是一种固态的半导体器件，能直接高效率地把电转化为光，又简称为 LED（Light Emitting Diode） 。LED 是由-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，其核心是 PN 结，因此它具有一般 P-N 结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性等。 LED 发光原理 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识， 第一个商用二极管产生于 1960 年。 发光二极管 它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用

2、，所以 LED 的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 LED 参数 普通

3、发光二极管的正向饱和压降为 1.6V-2.1V, 正向工作电流为 5-20mA。 1极限参数的意义 （1）允许功耗 Pm:允许加于 LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED 发热、损坏。 （2）最大正向直流电流 IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）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。 word 文档可编辑 （4）工作环境 topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2电参数的意义 (1)正向工作电流 If： 它是指发光二极管正

4、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。 (2)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。一般是在 IF=20mA 时测得的。发光二极管正向工作电压 VF 在 1.43V。在外界温度升高时，VF 将下降。 (3)V-I 特性： 发光二极管的电压与电流的关系。 在正向电压正小于某一值 （叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由 V-I 曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流 IR10A 以下。 LED 分类 1、 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜

5、色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿） 、蓝光等。另外，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还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 2 按发光管出光面特征分 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

6、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 520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 （2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为 2045。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 4590或更大，散射剂的量较大。 3 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 4 按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度 100mcd） ；把发光强度在

7、 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） 。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 word 文档可编辑 LED 光源的特点 高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06 瓦）电光功率转换接近 100%，相同照明效果比传统光源节能 80%以上。 寿命长： LED 光源有人称它为长寿灯， 意为永不熄灭的灯。 固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达 6 万到 10

8、 万小时，比传统光源寿命长 10 倍以上。 多变幻：LED 光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有 256 级灰度并任意混合，即可产生 25625625616777216 种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。 利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED 光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，

9、是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点，适合于易变的环境 。 LED 的历史 电致发光是在 1907 年由 Henry Joseph Round 在一块碳化硅上观察到的。但由于所发出的光太过于暗淡和在当时碳化硅实验上的困难最后也就没有继续进行研究了。到了 1920 后期由德国物理学家伯纳德.古登和 Robert Wichard Pohl 从掺杂了铜的硫化锌中得到了磷材料进一步开展了实验，但最后都是所发出的光太过暗淡而又一次停止了下来。到了 1936 年，George word 文档可编辑 Destriau 发表了一份关于硫化锌粉发光的报告，最终被广泛认为是他创造

10、了“电致发光”这个术语。 在 1950 年英国科学家使用了砷化镓， 从而在 1960 年初造出了第一个 “现代”的发光二极管，但只可以发出不可见和红外线红色光，在 1960 年末期才制造出第一个可见光的发光二极管，到了 1970 年中期磷化镓本身就被用作为发光体并且很快就发出了一个很淡的绿光。发光二极管使用双磷化镓芯片就要可以黄色光。黄色光发光二极管也大概是在这个时候由俄罗斯人使用碳化硅制造出来。在 20 世纪 80 年代中期使用了镓铝砷化磷制造第一代超亮发光二极管，首先是红色光然后是黄色光最后是绿色光。到了 90 年代初期使用铟镓铝磷制造可发出橙红光，橙色光，黄色光和绿光的超高亮发光二极管。

11、第一个蓝色光发光二极管也是在 1990 年是使用了碳化硅制造了出来，到了 90 年代中期才使用了氮化镓制造出超亮蓝色光发光二极管，随后很快也使用了氮化铟镓制造出高强度绿光和蓝光发光二极管。超亮蓝光芯片是白光发光二极管的基础，发光芯片使用荧光磷涂层，这些磷吸收了蓝色光并再以白色光发出。最后一直都是使用同样技术来制造出任何颜色的可见光。由此可知，发光二极管的发展是一个长而慢的进程，从红外线光开始。事实上，现在大多数的发光二极管发出不只是纯蓝紫色而是紫外线“黑色”光。 LED 发展前景 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题， 在照明领域， LED 发光产品的应用

12、正吸引着世人的目光， LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以 LED 为代表的新型照明光源时代。 中国 LED 产业起步于 20 世纪 70 年代。经过 30 多年的发展，中国 LED产业已初步形成了包括 LED 外延片的生产、LED 芯片的制备、LED 芯片的封装以及 LED 产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国 LED 产业发展的聚集地。 目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、

13、封装企业规模继续保持较快增长、 照明应用取得较大进展。 2007 年中国 LED应用产品产值已超过 300 亿元，已成为 LED 全彩显示屏、太阳能 LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家 LED 路灯企业并建设了几十条示范道路，但国内在大尺寸 LCD 背光和word 文档可编辑 汽车前照灯方面仍显落后。当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。

14、 LED 被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕 LED 的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从 2000 年起投资 5 亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在 2000 年 7 月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003 年 6 月份首次提出发展半导体照明计划。 在国际上，处于 LED 专利主导地位的厂商有 Nic hia（日亚 化学）、Toyoda Gosei（丰田合成 ）、CREE （科锐 ）、Phi lipsLumile

15、ds（飞利浦 流明 ）、Osram（欧司朗 ）等知名企业。据悉，LED 应用的相关专利国家中，日本占全球 27.9%，中国仅占 9.34%。我国专利数量远远低于日本、美国，尤其在 LED 产业链中上游的外延技术、芯片结构等领域，专利申请数量甚至低于德国、台湾。国外企业对专利的重视还表现在维护上，如日本 Nic hia 曾试图以专利欲独占蓝光 LED 市场，用各种手段来维护蓝光 LED市场，并且它曾对所研制成功的 GaN 材料不进行对外销售，或只限在日本境内出售目前。LED 行业发展最好的国家分别有日本、美国、德国等，中国台湾也有较好发展，台湾市场份额仅位居于日本，排名世界第二。台湾曾以低价位芯

16、片与低价位产品击败日本，迫使日本朝高价位芯片与高单价产品发展，并且台湾抓住机遇，结合多年的经验综合发展下游封装、中上游外延片和芯片领域，并不断扩展。 LED 的应用 最初 LED 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以 12 英寸的红色交通信号灯为例， 在美国本来是采用长寿命， 低光效的 140瓦白炽灯作为光源， 它产生 2000 流明的白光。 经红色滤光片后， 光损失 90%，只剩下 200 流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds 公司采用了 18 个红色 LED 光源，包括电路损失在内，共耗电

17、14 瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 LED 户外照明不仅广泛应用于城市景观，还用于隧道等。目前，关注率最高的是 LED 路灯的应用。洛杉矶将五年之内装上 140,000 盏 LED 路灯，而宾夕法尼亚州两城市安布勒(Ambler)和森伯里(Sunbury)这两座城市路word 文档可编辑 灯也全部更换为 LED 路灯，其他国家普遍使用 LED 路灯，如日本、韩国等。在国内，东莞计划三年道路照明全部应用 LED

18、路灯，海南则计划五年实现。北京奥运会、上海世博会，广州亚运会的基础建设大量使用了 LED 户外照明灯，如广州亚运会亚运场馆的主场馆，以及周边道路共新建了 70000 盏LED 路灯，佛山分赛场岭南明珠体育馆周边 12 条主干道，12000 盏高压钠灯全部改造成 LED 路灯。 LEDinside 研究部数据表明：2010 年，全球 LED 路灯的装置数量将达约 87 万盏， 其中我国 LED 路灯市场将增长 60%并达到 40 万盏以上。 实际上，我国每年路灯市场需求都在 2000 万盏以上， 且呈不断上升趋势， 专家预测，全球 LED 路灯出货规模到 2011 年可望达到 800 万盏，渗透率 8.5%，2011年我国需求 LED 路灯约占全球市场份额的 59%。 高工 LED 产业研究中心统计(LIRC)，预计 2009-2011 年 LED 路灯的安装量将达到 112 万盏。 另外，LED 灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用，而在室内灯饰方面应用尚未普及。 LED 很可能成为取代白炽灯、 卤钨灯和节能荧光灯最具潜力的第四代新光源。曾经有人指出，高亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。