LED基础知识的概括

深圳市汉鼎能源科技有限公司LED检验规范摘要系统地在分析LED发光机理的基础上，阐述了LED半导体材料的发展历程，介绍了LED光源的优点和几个主要的应用场合，分析了国内外产业的发展状况，并指出LED光源面临的几个问题。介绍了与发光二极管测试有关的术语和定义，详细介绍了测试方法和测试装置的要求。前言自1879年爱迪生发明白炽灯以来，电光源照明已经经历一个多世纪，这其中有三个重要的发展阶段，其代表性光源分别是白炽灯、荧光灯和HID（高强度气体放电）灯。白炽灯安装使用简便，但它是热辐射光源,绝大部分输入电功率都变成了红外辐射以及较大的热损失,落在可见光区的辐射所占比例较小,因而其光效较低，而且寿命短，易损坏。荧光灯的工作原理是：电流激发汞原子并使它们发出紫外线光子，这些光子激发荧光粉发出可见光。虽然其较白炽灯可以省电，但由于受到紫外线转换成可见光效率的制约,光效提高也有限，而且存在电磁污染、使用寿命短、易碎等缺点，其主要组成部分汞还会造成环境污染。HID灯光效已经可以超过100lm/W，但由于热导及紫外、红外等损失，光效也很难有较大的提高，且存在成本高、维护困难、寿命短、电磁辐射等问题。近几十年来，人们对于开发新照明光源的研究和探索从未停止过。欧洲专门制定了五年行动计划，提出新型光源要符合三个条件：高效、节能；材料对环境无害；模拟自然光，显色指数接近100。发光二极管（LightEmittingDiode简称LED)是一种重要的光电子器件,它在科学研究和工农业生产中均有非常广泛的应用.发光二极管虽小,但要准确测量它的各项光和辐射参数并非一件易事.目前在世界范围内的测试等优点，能够应用在各种各样的彩色和白色照明领域。LED光源在提升照明质量和效用的同时，能够节约能源，改善环境污染，有利于国计民生的和谐发展。因此积极研究LED光源新技术，加快发展LED照明产业具有重大的经济效益和深远的社会意义。深圳市汉鼎能源科技有限公司LED检验规范LED材料的发展历程由LED发光机理可知，依材料的不同，电子和空穴所占有的能阶也不同，其相对能阶高度差即是决定两种载流子结合所发出能量的高低，可以产生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。因此，欲决定LED所发出光的颜色，可以由材料的结构来选择。实际上，LED的发展即是以半导体材料的发展为基础的。制造历史上第一个半导体激光器所使用的材料是p-n同构接面的GaAs，其能隙为1.424eV，所放出的光子波长大约在0.84μm，落于红外光谱。这种能隙与所发出光子波长的关系可以很容易由理论推算而来，研究人员依这些理论推算结果反推而预测出在各种可见光范围所须采用的材料，再根据这些材枓的特性而设计出制程技术以及相关设备。在发光材料中最为研究人员所熟知的除了GaAs之外，另有一种结构类似的称为磷化镓（GaP）的材料，其能隙为2.261eV。将GaAs与GaP两种材料混合，可以得到GaAs1-xPx的结构，其中x代表着磷元素取代砷元素的百分比。当x由0渐增至1时，材料结构由GaAs渐变为GaP。其能隙则由1.424eV增至2.261eV。在此范围内，理论上可以得到涵盖红外光至绿光范围的所有光波长。实际上，GaAs1-xPx系统即是早期LED工业最重要的材枓结构。1962年，首个红光LED用复合半导体材料GaAsP制成。一直到四元元素发展成熟之前，几乎所有可见光LED都是以这一系列的材料制造。除了GaAs所发的红外光之外，其中应用深圳市汉鼎能源科技有限公司LED检验规范最广的首推GaP以及GaAs0.6P0.4的红光LED，GaAs0.35P0.65的橙光LED，GaAs0.14P0.86的黄光LED以及GaP的绿光LED。GaP的能隙在该系列材料中为最高值，所发出的波长也最短，但却只达到绿光范围。早期的红光LED光效很低，随着半导体材料AlGaAs的出现以及全晶格匹配直接能隙技术的应用，其光效有了显著的提高，超过了带红色滤光片的白炽灯。采用在AlGaAs衬底上再生长AlGaAs的透明衬底技术又将红光LED的光效增加了一倍。OMVPE（有机金属气相磊晶）技术的发展促进了一种新材料AlInGaP的诞生，从而使得高亮度LED的发展由黄光转为红光。1990年代早期，Lumileds照明公司应用AlInGaP材料制作的高亮度LED可以发出红光及其附近波长的光谱。最初，AlInGaP材料的性能并非特别良好，合金有序化、受主原子氢钝化、P-N结的定位和含铝半导体层的氧合是亟待解决的几个问题，研究人员耗费近十年的时间将此问题解决之后，采用AlInGaP制作的LED其内部的光量子转化效率得以大幅提高，接近100%，几乎每一对电子和空穴复合都能够产生一个光子。然而，这些内部的光子却不能完全转化为LED外部的可见光。最主要的障碍在于光子会被GaAs基上的狭窄能隙吸收。1994年，Hewlett-Packard（惠普）公司采用蚀刻法将GaAs基除去，并采用晶片键合工艺以透明GaP取而代之，使其光效得到了显著改善，达到25lm/W，几乎是带红色滤光片白炽灯的十倍。红色LED也逐步应用于汽车尾灯、交通信号灯和户外广告牌等场合。AlInGaP商用化不久后，NichiaChemical（日亚化学）公司的ShujiNakamura、名古屋大学的Akasaki和Amano两位教授、以及名城大学逐步掌握了一种新的半导体材料制作工艺，即采用气压OMVPE在蓝宝石衬底上生长AlInGaN。与AlInGaP相比，AlInGaN的能隙较宽，能够发出绿、蓝和紫外光，但光效较低。AlInGaN绿光LED光量子转化效率约为20%-40%，蓝光约为40-60%。尽管绿光LED光效较低，但人眼对绿光的敏感程度比蓝光和红光高，于是NichiaChemical和Lumileds等公司采用红、绿、蓝三基色LED制成了可以全色显示的指示灯和信号灯。半导体技术和材料的不断进步极大地推进了LED的发展。在过去的几十年里，与大规模集成电路中著名的摩尔定律相似，LED光通量的不断提高遵循着Haitz定律，即每18-24个月翻一番。最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题。高亮度是指发光强度达到或超过100mcd的LED，又称坎德拉(cd)级LED。高亮度AlInGaP和InGaN的研制进展十分迅速，现已达到常规材料GaA1As、GaAsP、GaP无法达到的性能水平。1991年日本东芝公司和美国惠普公司研制成AlInGaP620nm橙色高亮度LED，1992年AlInGaP590nm黄色高亮度LED实用化。同年，东芝公司研制成功InGaA1P573nm黄绿色高亮度LED，法向光强达2cd。1994年日本日亚公司研制成InGaN450nm蓝(绿)色高亮度LED。至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的LED都达到坎德拉级的发光强度，实现了高亮度化和全色化。高亮度红A1GaAs系列LED与GaAsP系列LED相比，具有更高的发光效率，透明衬底A1GaAs系列LED(640nm)的流明效率已接近10lm/w，比红色GaAsP系列LED大10倍。高亮度AlInGaP系列LED提供的颜色与GaAsP系列LED相同，包括:绿黄色(560nm)、浅绿黄色(570nm)、黄色(585nm)、浅黄(590nm)、橙色(605nm)、浅红(625nm)、深红(640nm)。透明衬底AlInGaP系列LED发光效率与其它LED结构比较，吸收衬底AlInGaP系列LED的流明效率为10lm/w，透明衬底为20lm/w，在590－626nm的波长范围内比GaAsP系列LED的流明效率高10－20倍；在560－570的波长范围内则比GaAsP-GaPLED高2－4倍。高亮度InGaNLED提供兰色光和绿色光，其波长范围兰色为450－480nm，兰绿色为500nm，绿色为520nm，流明效率为10－15lm/w。高亮度LED目前的流明效率已超过了白炽灯，可以取代功率1w以内的白炽灯，而且用LED阵列可以取代功率150w以内的白炽灯。对于许多应用，白炽灯都是采用滤光片得到红色、橙色、绿色和兰色，而AlInGaP和InGaN材料制造的高亮度LED将多个(红、蓝、绿)高亮度LED芯片组合在一起，无须滤光片也能得到各种颜色，包括红、橙、黄、绿、蓝，目前其发光效率均已超过白炽灯，正向荧光灯接近，发光亮度已高于1000mcd。深圳市汉鼎能源科技有限公司LED检验规范LED的分类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。散射型发光二极管和达于做指示灯用。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）。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，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。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。LED灯的分类LED灯有好多种，有led照明灯、led灯带、led灯杯、led节能灯、led装饰灯、led轮廓灯、led投光灯、led射灯、led橱柜灯、led小夜灯、led护眼灯、led天花灯、led埋地灯、led水底灯、led洗墙灯、led投光灯、led路灯、led招牌灯箱、led串灯、led筒灯、led异形灯、led星星灯、led护拦灯、led彩虹灯、led幕墙灯、led柔性灯、led条灯、led食人鱼灯、led日光灯、led高杆灯、led桥梁灯、led矿灯、led手电筒、led应急灯、led台灯、led灯饰、led交通灯、led汽车尾灯、led草坪灯、led彩灯、led水晶灯、led格栅灯、led遂道灯等。LED光源的优缺点光线质量和发光效率高LED是基于半导体中载流子的复合而发光的，光谱几乎全部集中于可见光频率，不包含紫外线和红外线，故无热量无辐射，效率可以达到80%-90%。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。但LED的发深圳市汉鼎能源科技有限公司LED检验规范光效率无法和高压钠灯相比。能耗小在当前全球能源短缺危机不断升高的背景下，节约能源是我们面临的重要问题。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一，而寿命则是白炽灯的100倍。LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。目前我国每年用于照明的电力约2500亿千瓦时，如果采用LED照明，每年就可节电2