97LED基础知识

LED基础彭银松LED的基础常识制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。历史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga),其正向PN结压降(VF，可以理解为点亮或工作电压)为1.424V，发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga)，其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。基于这两种材料，早期LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构，理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通过PN结压降可以确定LED的波长颜色。其中典型的有GaAs0.6P0.4的红光LED，GaAs0.35P0.65的橙光LED，GaAs0.14P0.86的黃光LED等。由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。而GaN（氮化镓）的蓝光LED、GaP的绿光LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。而目前最新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca)、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。除此之外还有在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED。可见光LED的发展史自1970年左右开始红光LED的光功率不断上升，但是蓝光LED的特性到1992年后才突飞猛进。发光原理LED属于半导体组件，控制不纯物可以形成P型与N型半导体，P型与N型半导体两者组合就可构成二极管(Diode)，二极管通电时会发光。动作上它是施加电流使电子与电洞(Hole)再结合，接着利用半导体的BandGap能量(亦即能隙)获得一定波长的发光。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µm以内产生。发光原理发光材料与波长BandGap随着半导体材料不同，也就是说半导体材料的选择可以改变发光色。下表是半导体材料与发光波长、发光色的关系，以InGaAlP为例，构成元素(In,Ga,Al,P)之中，改变主要元素Al的混晶比率，就可以获得红~绿色的发光。「色的3原色」与「光的3原色」不同，「色的3原色」为红、蓝、黄；「光的3原色」则为红、蓝、绿。混合「色的3原色」时变成黑色；混合「光的3原色」则变成白色。以LED形成白光的方式可以分成2种，分别是:a.组合红、蓝、绿LED变成白光。b.蓝光或是紫外线发光LED，搭配荧光体变成白光。组合红、蓝、绿LED形成白光方式，一般称为RGB发光，上述组合光的3原色形成白光的方式，主要特征为高色再现性。蓝光搭配荧光体形成白光是目前主流，它是利用黄色荧光体的吸收、激发特性，使部份蓝色发光转换成黄色光线，蓝色光线再与黄色光线形成白光。※IF:顺向电流(ForwardCurrent)，表示施加于顺方向的电流。※VF:顺向电压(ForwardVoltage)，表示施加于顺方向的电压。※IR:逆向电流(ReverseCurrent)，表示施加于逆方向的电流。※VR:逆向电压(ReverseVoltage)，表示施加于逆方向的电压。※F:光束(LuminousFlux)，它是亮度的用语，表示光线全光量的亮度。※IV:光度(LuminousIntensity)，它也是亮度的用语，表示某个方向单位立体角范围内的光线亮度。※λp:峰值波长(PeakWave)，表示最大发光强度时的波长。※λd:Dominant波长(DominantWave)，表示人眼感受的单波长。※Cx:色度坐标(Chromaticityx,y)，它利用x,y坐标表示颜色。※2θ1/2:指向角，光线的发光强度变成1/2时，表示光线的扩散角度。LED特性参数（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。（4）工作环境温度: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。在正向电压正小于某一值（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IR10μA以下。极限参数的意义LED的分类1．按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分，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。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。最常见的是圆灯，按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。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，可作局部照明光源用（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度10mcd）；超高亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10～100mcd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。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。3．按发光二极管的结构分4．按发光强度和工作电流分使用LED的注意事项LED的发热LED的发光波长若与传统白炽灯泡比较的确不含红外成份，也就是说从LED出射的放射光几乎不具热能，不过若对LED施加电流LED就会发热，主要原因是LED内部产生的光线只有数30%出射到外部，除此以外的能量亦即消费能量的大部份已经转变成热能，因此只要对LED施加电流LED就会发热。以往的LED驱动电流只有数十mA，消费电力大约0.1W左右，最近几年消费电力高达数W的LED陆续问世，装设散热鳍片或是将LED封装在金属基板，主要诉求都是使LED的发热可以更容易散逸到外部。提高LED的发光效率提高LED的发光效率根本上必需改善LED组件本身的输出，这意味着组件的封装技术非常重要。IF一定时的亮度一般人都误解一定的顺向电流IF时，LED的亮度也会成为一定，然而实际上并非如此，从施加电流一直到温度成为一定为止LED的亮度会持续下降，发热稳定后LED的亮度才会稳定下来。LED的寿命LED的寿命一般是以亮度降至初期值50%所需要的时间表示，LED的寿命随着发光色、封装材料、封装树脂不同也很大差异，除此之外使用环境、条件都会改变LED的寿命，一般而言过酷条件LED的寿命相对降低。LED的应用室内照明可移动照明展示、装饰照明汽车尾灯甚至大前灯LEDInBacklightLED的发展趋势2006年全球发光二极管市场规模62亿美元。展望未來发展，一般照明、汽車、显示器背光源將成為带动市场成长最关键，预估2010年全球市场將成長至103亿美元。可見光發光二極體市場比重持續攀升高亮度發光二極體市場快速增長可攜式產品市場佔有率下滑產品單價持續下滑