LED培训教材

·量子光电子企业内部培训教材企业内部培训教材LEDLEDLEDLED基础知识编制：审批：TEL：[phone]FAX：[phone]深圳市南山区华侨城中航南沙河工业区南座4楼E-mail：[e-mail]编号QT2K5111401版次第0次修改生效期2005年11月15日·量子光电子企业内部培训教材第一章前言LED（LightEmittingDiode）作为新一代半导体照明光源，其以高效低耗、节能环保、响应快、寿命长等优点，广泛应用于信号指示、智能显示、局部照明以及特殊照明等领域。在未来，LED必将颠覆当前普通灯泡的照明应用，而成为特殊照明、通用照明的主流，因此我们公司所从事的产业是一个非常具有潜力的朝阳产业。由于LED集热学、光学和电学等多门类学科为一体，因此其所覆盖的技术领域和知识机构较为广泛和复杂。我司所从事的“LED封装行业”处于整个LED产业链的中游，更多的了解LED的相关知识，对提升公司品牌管理、战略管理、市场管理、品质管理、生产管理以及物料管理，都具有非常重大的意义。对提升公司雇员的职业技能、个人素质也具有极其重要的影响。·量子光电子企业内部培训教材第二章LED基础知识一、光1.光的定义光是一种能量的形态，它可以无需任何媒介在空间传播。通常将这种能量的传递方式谓之辐射，其含义是能量从能源出发沿直线（在同一介质内）向四面八方传播。关于光的本质，早在十七世纪中叶就被牛顿与麦克斯韦分别以“微粒说”、“波动说”进行了详细探讨，并成为当前所公论的光具有“波粒二重性”的理论基础。约100多年前，人们又进一步证实了光是一种电磁波，更严格地说，在极为宽、阔的电磁波谱大家族中。可见光的光波只占有很小的空间，如表1-1所示。其波长范围处在380nm-770nm之间，包含了人眼可辩别的紫、靛、蓝、绿、橙、红七种颜色，它的长波方向是波长范围在微米量级至几十千米的红外线、微波及无线电波区域；它的短波端是紫外线、x射线、r射线，其中r射线的波长已小到可与原子直径相比拟。表1-1：电磁波谱波长区域2.⎩⎨⎧冷光热光物体发光的方式热光又称之谓热辐射，是指物质在高温下发出的热。在热辐射的过程中，其内部的能量并不改变，通过加热使辐射得以进行下去，低温时辐射红外光、高温时变成白光。众所周知，当钨丝在真空式惰性气氛中加热至很高的温度，即会发出灼眼的白光。其实，太阳光就是一种最为常见的白光，三棱镜可将太阳光分解成上述的七种颜色，实验已证明，只要采用其中的蓝、绿、红三种颜色，即可合成自然界中所有色彩，包括白色的光，我们通常将蓝、绿、电磁波谱种类波长范围nmμmcmM长波振荡＞105无线电波1—105微波10-1—102红外线770—10000.77—103可见光380—770紫外线10—390X射线10-3—50r射线10-5—10-1宇宙射线＜10-5注：lm=102cm=106μm=109nm·量子光电子企业内部培训教材红三种颜色称之为三原色。冷光是从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。由于这种发光过程不伴随物体的加热，因此将这种形式的光称之为冷光。按物质的种类与激发的方式不同，冷光可分为各种生物发光、化学发光、光致发光、阴极射线发光、场致发光、电致发光等多种类别。萤火虫、荧光粉、日光灯、EL发光、LED发光等均是一些典型的冷光光源。3.3.3.3.电致发光和冷光源电致发光（EL）：电能光能-------------------冷光白炽灯：电能热能光能-------------------热光通常有两种电致发光现象：①EL屏是利用固体在电场作用下的发光现象所制成的光源，荧光材料在电场作用下，导带中的电子被加速到足够高的能量并撞击发光中心，使发光中心激发或电离，激活的发光中心回到基态或与电子复合而发光，荧光材料（ZnS）中不同的激活剂决定了发光的颜色。②第二类电致发光又称之为注入式场致发光，LED与LD就属于这类发光过程。电致发光实际上也是一种能量的变换与转移的过程。电场的作用使系统受到激发，将电子由低能态跃迁到高能态，当他们从高能态回到低能态时，根据能量守衡原理，多余的能量将以光的形式释放出来，这就是电致激发发光。发光波长取决于电子的能量差：又或者10724.1−×=×=×=∆λλchvhEEch∆×＝λ式中：△E＝E1-E2（E是发射光子所具有的能量，以电子伏为单位）λ：光子波长，以nm为单位；h：普朗克常数，h＝4.135×10-15eV×sc：光速，c＝3×108m/s以上公式可知，激发电子的能量差△E越高，所发出的电子波长就越短，颜色发生蓝移，反之，激发电子能量差变小，所发光子的波长就会红移。·量子光电子企业内部培训教材二、LEDLEDLEDLED的发光原理和基本结构1.1.1.1.LEDLEDLEDLED发光原理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p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。当一个正向偏压施加于PN结两端时，在某些半导体材料的PN结中，其P区的载流子浓度远大于N区，非平衡空穴的积累远大于P区的电子积累（对应NP结，情况正好相反），由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，饱和后，多余的能量则以光的形式向外辐射，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。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。因此，LED基本的工作机理是一个电光转换的过程，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，通常，禁带宽度越大，辐射出的能量越大，对应的光子具有较短的波长，反之具有较长的波长，因此，由于半导体晶体禁带宽度的不同，就发出从紫外到红外不同颜色、不同强度的光线。图1111：LEDLEDLEDLED发光原理模型�半导体晶体的原子排列决定禁带，确定发光特性：λ=hc/Eg；�杂质掺入形成p型区和n型区；�在正向偏压下，注入电子与空穴复合；�复合能量以光（有效复合）或热（无效复合）的形式释放；�整个过程基本上是无害的。N型载流子（电子）价带导带禁带，EgP型载流子（空穴）能量·量子光电子企业内部培训教材图2222：电学模型2.2.2.2.LEDLEDLEDLED晶片的基本结构LED晶片的基本结构一般可归为两大类，一类是针对GaP、GaAsP、AlGaAs等传统型LED晶片，一类是针对超高亮度InGaAlP红、黄与InGaN蓝、绿光器件而言。而目前应用到最多的是第二类LED晶片，这类器件主要包括衬底、发射层、MQW发光层、透光层四个部分。其一般均通过MOCVD外延工艺制备。对于四元的红、黄晶片，通常采用GaAs作为衬底，但由于GaAs吸收光较强，因此，会在衬底和发光层生长一层反射层。对于GaN基器件，一般采用Al2O3或SiC作为外延衬底，其优点在于不存在吸收光，因此一般不加发射层。图3:3:3:3:GaNGaNGaNGaN晶片剖面图当前还有GaP透明衬底、表面粗化处理、垂直结构等特殊工艺的晶片，采用这些特殊工艺是为了进一步提高发光效率和耗散功率。VfIf（电子）ΦV（光子）反射层·量子光电子企业内部培训教材三、LEDLEDLEDLED光源的特点1.电压：LED使用低压电源，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%3.适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50%5.响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级6.对环境污染：无有害金属汞7.颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带宽，实现红、黄、绿、兰、橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色8.价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。四、单色光LEDLEDLEDLED的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。·量子光电子企业内部培训教材90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。五、LEDLEDLEDLED的制造过程图4444：LEDLEDLEDLED制造过程六、LEDLEDLEDLED封装工艺流程和发展1111....LEDLEDLEDLED的结构：常规LED的封装形式主要有：直插式DIPLED、表面贴装式SMDLED、食人鱼PiranhaLED和PCB集成化封装。功率型LED是未来半导体照明的核心。①沿袭小功率DIPLED封装思路的大尺寸环氧树脂封装：·量子光电子企业内部培训教材②仿食人鱼式环氧树脂封装：图6.图7.③铝基板（MCPCB）式封装：④借鉴大功率三极管思路的TO封装：图11.图12.⑤功率型SMD封装：⑥流明公司的大功率LED封装·量子光电子企业内部培训教材⑦MCPCB集成化封装，如图19、20。以上这些封装形式各有优缺点，对照明领域而言，大都只适用于特殊照明，是走向通用照明的过渡性产品。用于通用照明的LED应该有更好的解决方案。2.2.2.2.LEDLEDLEDLED封装工艺流程LED的核心是芯片，LED的基本光电特性主要取决于芯片；同时，封装对LED的最终性能也起着至关重要的作用。LED封装就是将芯片与电极引线、管座和透镜等组件通过一定的工艺技术结合在一起，使之成为可直接使用的发光器件的过程。LED封装的一般工艺流程如下：3.3.3.3.LEDLEDLEDLED封装的发展过程随着芯片性能、发光颜色、外形尺寸和安装方式的不断更新进步，以及应用需求的不断增加，LED的封装技术也在不断推陈出新。固晶固晶烘烤焊线荧光粉涂布荧光粉烘烤透镜安装/灌胶成型胶体烘烤半切初测二切测试分档检验包装图7.LED封装一般工艺流程（以白光LED为例）最早封装的LEDLEDLEDLED直插式LEDLEDLEDLED食人鱼LEDLEDLEDLED功率形LEDLEDLEDLED通用照明LEDLEDLEDLED·量子光电子企业内部培训教材七、LEDLEDLEDLED相关参数1.1.1.1.电学指标①正向工作电流IF（mA）�额定工作电流IF（mA）：LED在理想的线性工作区域，在此电流下可安全地维持正常的工作状态；�最小工作电流IFL（mA）：LED在小于此电流工作时，由于超出理想的线性工作区域，将无法保证LED的正常工作状态（尤其是在一致性方面）；�最大容许正向电流IFH（mA）：LED最大可承受的正向工作电流，在此电流下，LED仍可正常工作，但发热量剧增，LED的使用寿命将大大缩短；�最大容许正向脉冲电流IFP（mA）：LED最大可承受的一定占空比的正向脉冲电流的高度。IFVFVRIRVILED的I～V曲线（伏安曲线）②正向压降VF（V）由LED本身固有的I~V特性曲线决定，在IF条件下所对应的VF数值。�