LED基础知识-光电子概论.ppt

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1、LED基础知识,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？,灯具发展之路,Logo,1907年，Henry Joseph Round在观测金刚砂(SiC)电致发光的现象时，初次观察到了无机半导体的发光现象。但因为无机半导体发出的黄光太过暗淡，他很快就放弃了这方面的研究。到20世纪20年代，德国科学家O.W.LOSSOW在研究SiC检波器时，再次观察到这种现象，但当时受到材料

2、制备和器件工艺水平的限制，没有被迅速利用。1962年，GE公司Nick Holonyak带领的一个团队成功演示出第一个红光GaAsP发光二极管，仅6年后，Monsanto(孟山都)研发的指示灯以及Hewlett-Packard（IBM）研发的电子显示屏就将商业化LED推向了市场。1965年仅0.1LM/W，指示灯1968年，人们通过N掺杂工艺，使GaAsP LED的发光效率达到1lm/w,并出现了橙色光和黄色光。真正具有了商业价值。到20世纪80年代，使用AlGaAs(砷镓化铝)的第一代超亮LED诞生。产品首先是红色、然后是黄色，最后是绿色。应用领域多到20世纪90年代，日本东芝公司和美国的H

3、P公司，先后研发成功双异质结与多量子阱结构的橙色和黄色InGaAlP(铟镓铝化磷)的组合又被用来生产超亮红色、桔色、黄色及绿色LED.20世纪90年代中期，日本的日亚（NICHIA）公司和美国的CREE公司，分别在蓝宝石和SIC衬底上成功研发了超亮蓝光GaN(氮化镓)LED，高亮度绿光、紫光及蓝光InGaN(氮化铟镓)LED随后也研发成功。,LED市场前景,LED如何发光?,物体发光有哪些方式？,物体的发光方式,：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

4、能量释放出来，回到基态。,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,GaAs,Si,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（）和（）是一般红光产生光的原理，而图（）是蓝光产生光的原理,LED自发性的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。当LED两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色

5、的光。,PN结的形成 在半导体基片上分别制造N型和P型两种半导体。经过载流子的扩散运动和漂移运动,两运动最终达到平衡，由离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。,PN结的形成,光子,LED的优点,灯具对比如下表：,由上表可见，LED灯的发光效率是普通白炽灯的6倍以上，是日光灯的2倍，是高压钠灯的1.5倍，是电子节能灯的1.2倍。同时，LED灯的使用寿命是白炽灯的20倍以上，是日光灯的10倍以上，是高压钠灯及电子节能灯的5倍以上。,LED的缺点,LED为什么会发不同颜色的光?,光的本质是什么?,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

6、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,光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即 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1.593.26 eV之间。在此能量范围之内，带隙为直接带的-族或-族半导体材料只有GaN、GaP等少数材料，也可以利用-族或-族二元化合

7、物组成新的三元或四元-族或-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。,LED材料,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,LED的主要参数与特性,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

8、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。,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,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0.6IFm以下。

9、,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1.52.8V。功率级LED一般在IF=350mA时测得的，正向工作电压VF在24V。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

10、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IR10A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。,VB,LED的电容一般包括PN结结电容和内引线分布电容等在内的总电容,PN结电容占主要地位。鉴于LED 的芯片有99mil(250250um)，1010mil，1111mil(280280um)，1212mil(300300um)，及封装结构的不同，电容量也不同，有的远小于1PF，有的则达100PF以上。C-V 特性呈二次函数关系。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。,LED C-V 特性,响应时间,

11、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10100MHZ 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=UFIF LED工作时，外加偏压

12、、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

13、。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,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P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:它

14、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PN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

15、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、PN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,LED都有哪些种类?,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、

16、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2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm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520或更小，具有很高的指向性。（2）标准型。其半值角为2045。（3）散射型。半值角为4590或更大，散射剂的量较大。按发光二极管的结构分：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

17、度和工作电流分：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10100mcd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）。按工作功率分：小功率（0.06W）、功率型（0.06W1W）、大功率（1W）。,白光LED是如何实现的?,白光LED,LED白光实现途径:,用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点,如何衡量白光LED的优劣？,应用的白光LED技术指标,光通量：一个5 LED的光通量仅为1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。

18、由于15W白炽灯效率较低，仅8lm/w，所以一个15W白炽灯的光通量，与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。发光效率：目前产业化产品已从 15lm/w提高到100lm/w以上。色温：在 2500K-10000K之间，最好是2500K-5000K之间。显色指数 Ra 最好是100。目前可以达到85。稳定性：波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。寿命：5万小时至10万小时。,LED有哪些应用?,LED照明产品(室内),LED照明产品(室外),路灯,射灯,交通信号灯,汽车雾灯,汽车尾灯,LED产业链,外延片（晶片）,芯片,封装、应用,上游产业,中游产业,下游产业,利润

19、比：60%30%10%,LED上游产业,工艺：外延材料衬底在衬底上生长外延层外延片成品：外延片（主要设备：外延炉：MOCVD）,LED中游产业,工艺：金属蒸镀光罩蚀刻（正负电极制作）切割测试分选成品：芯片,LED下游产业,封装：芯片粘贴焊接引线树脂封装剪脚成品：LED应用产品（灯具、显示屏、背光源、指示灯。）,LED产业链,国内普遍使用芯片品牌,大功率：日亚、菲利普、科瑞（锐）、欧 司郞、普瑞、丰田和成、首尔、LG、三星小功率：晶元、艾迪生、广镓、国产芯片,LED现状,基本没有国家标准，产品参差不齐上游产能过盛产品应用户外照明比室内照明成熟，尤其显示屏及景观亮化LED照明应用只占全部照明的3%

20、左右，多集中于市政公建项目，几乎还未进民用阶段价格过高，散热问题还未能很好解决,目前是什么阻碍了LED的大规模应用?,应用设计二次光学设计、驱动电源设计散热作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。芯片成本价格是直接影响LED照明普及速度的关键因素。人们期望以LED灯的购置成本+能源成本+维护成本+废弃物处理成本比白炽灯和荧光灯低，但消费者仍以购置成本为选择标准，,LED将来如何发展？,一是做小尺寸小二是做大功率大三是做快散热快四是做低成本低五是独立集成,LED应用前景方向,显示、景观室外照明：道路、停车场室内照明背光源特殊照明：矿井、医院、博物馆、冰柜、仓库、情景照明汽车照明商用照明,谢谢！,