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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 是什么 ?. LED 是“ light emitting diode” 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。. LED 是如何诞生的 ? 它有怎样的发展历程？. LED 如何发光 ?. 物体发光 有哪些方式？. 物体的

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Presentation Transcript

  1. LED基础知识

  2. 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

  3. LED是什么?

  4. LED是“light emitting diode”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。

  5. LED是如何诞生的? 它有怎样的发展历程？

  6. LED如何发光?

  7. 物体发光 有哪些方式？

  8. 物体的 发光方式 热光 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 冷光 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。 ：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。

  9. 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。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。

  10. 目前发光二极管用的都是直接带隙材料 Si GaAs

  11. 导带 导带 Ｅｇ 价带 价带 （１）带间复合 （２）自由激子相互抵消 Ｅｃ Ｅｖ （３）在能带势能波动区，局部束缚激子的复合 直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（Radiative Transition）有以下可能性： 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．

  12. E 光子

  13. LED为什么会发 不同颜色的光?

  14. 光的本质是什么?

  15. 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。

  16. 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。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。

  17. 各种颜色光的波长

  18. 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1.59～3.26 eV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。

  19. 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 活性层 N-限制层 布拉格反射层 衬底

  20. LED的主要 参数与特性

  21.  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

  22. 电学特性 I-V特性 响应时间 允许功耗

  23. 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。

  24. IF 正向电流 正 向 工 作 区 VB 0 击穿区 反向死区 死区电压

  25. 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VR

  26. B E C 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。 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。 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IR<10μA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。 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。

  27. AlGaInP LED 350mA 3.0v -20v -100mA VB

  28. InGaN LED 350mA 3.4v -7v -100mA

  29. 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。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。 响应时间

  30. 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×IF LED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。 允许功耗P

  31. 光学特性 空间分布 光谱分布 光学参数

  32. 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。 LED发光强度的空间分布

  33. 发光面和角分布

  34. 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。 光谱特性

  35. YAG荧光粉

  36. 光谱半宽度 峰值波长 中心波长 LED的光学参数

  37. 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。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。 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。

  38. 热学特性

  39. 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。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。

  40. 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。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。 热的损害

  41. 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。 结温上升的原因

  42. 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 降低LED结温的途径

  43. LED与普通 光源有什么区别?

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