LED基础知识

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“lightemittingdiode”的英文缩写。•中文名:发光二极管。•LED是一种将电能转换为光能的固体电致发光(EL)半导体器件。•LED实质性核心结构是由元素谱中的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物材料构成的p-n结。发展阶段年份发展进程发光效率（lm/w）应用领域指示应用1962GaAsP红光LED（样品）0.1指示灯1965GaAsP红光LED0.11968GaAsP红、橙、黄光LED0.21970-1980GaAsP高效红、黄光、GaP绿、红光1指示灯、计算器、数字手表信号显示1980-1985AlGaAs橙黄、绿、红光LED5室外信号显示、条形码系统、光电传导系统1986-1992InGaAlP红、绿、橙红、橙黄、橙、黄色LED10室外显示屏、交通信号灯、汽车全彩应用普通照明1993-1994InGaN绿、蓝光LED，GaN蓝光LED15医疗设备、全彩大屏幕显示屏、小尺寸LCD背光源、手机背光照明、景观装饰照明、闪光灯、应急灯、警示灯、标志灯1997白光LED（蓝光芯片+YAG荧光粉）102000InGaAlPGaAs、InGaNSiC彩色LED302005InGaAlPGaAs、InGaNSiC彩色LED502007-2009功率级白光LED100物体的发光方式冷光热光：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。白炽灯：当钨丝在真空或是惰性气体中加热至很高的温度，就会发出白光。生物发光：萤火虫化学发光：荧光粉阴极射线发光：荧光灯、金卤灯场致发光：无极灯电致发光：LED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GaAsSi直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（RadiativeTransition）有以下可能性：导带价带（１）带间复合Ｅｇ导带价带（２）自由激子相互抵消（３）在能带势能波动区，局部束缚激子的复合ＥｃＥｖ图（１）和（２）是一般ＡｌＧａＩｎＰ红光ＬＥＤ产生光的原理，而图（３）是ＡｌＧａＩｎＮ蓝光ＬＥＤ产生光的原理．E光子•光是一种能量的形态，是一种电磁波。•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色波长λ（nm)代表波长红（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黄（Yellow）600～570580绿（Green）570～500550青（Cyan）500～470500蓝（Blue）470～420470紫（Violet）420～380420•光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈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1.59～3.26eV之间。•在此能量范围之内，带隙为直接带的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料只有GaN、GaP等少数材料，也可以利用Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族二元化合物组成新的三元或四元Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ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窗口层P-限制层N-限制层活性层布拉格反射层衬底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）LED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。0IF反向死区VB死区电压正向工作区击穿区正向电流对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VRBCE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。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0.6·IFm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1.5～2.8V。功率级LED一般在IF=350mA时测得的，正向工作电压VF在2～4V。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IR10μA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。VB3.0v350mAAlGaInPLED-100mA-20v3.4v350mAInGaNLED-100mA-7v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10~100MHZ的高频系统中。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=UF×IFLED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•中心波长波长（nm）相对光谱能量4004505005506006507000.20.40.60.81.0PAB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λP的光谱能量（光强）最大，该波长为峰值波长。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Δλ: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P—N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、P—N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•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：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•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φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm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：（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5°～20°或更小，具有很高的指向性。（2）标准型。其半值角为20°～45°。（3）散射型。半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。•按发光二极