LED灯发光原理及发展简史.docx
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1、一、LED结构以及发光原理LED ( Light Emitting Diode ),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它 可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,即发光二极管。 晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被 环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起 来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候, 电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量, 这就是LED发光的原理。而光的波长
2、也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。最初LED用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面 积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以 12英寸的红 色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。 而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了 18个红色LED光源,包括电路损失在内, 共耗电14瓦,即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。 这种LED
3、是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG )封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(入 p=465nm , Wd=30nm ),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出 黄色光射,峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有 YAG的树 脂薄层,约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与 荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度 高,因此运用最多
4、。上个世纪60年代,科技工作者利用半导体PN结发光的原理,研制成了LE D发光二极管。当时研制的LED,所用的材料是GaASP,其发光颜色为红色。 经过近30年的发展,现在大家十分熟悉的LED,已能发出红、橙、黄、绿、蓝 等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在近年才发展起来,这里向读者介绍 有关照明用白光LED。LED用途介绍1. 可见光的光谱和LED白光的关系。众所周之,可见光光谱的波长范围为3 8 0 nm- 7 6 0 nm,是人眼可感受到的七色光一一红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的红光的峰值波长 为565 nm。在可见光的光谱中是没有白
5、色光的,因为白光不是单色光,而是由多 种单色光合成的复合光,正如太阳光是由七种单色光合成的白色光,而彩色电视机 中的白色光也是由三基色红、绿、蓝合成。由此可见,要使LED发出白光,它的 光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的LED,在目前的工艺 条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究,人眼睛所能见的白光,至少需两种 光的混合,即二波长发光(蓝色光+黄色光)或三波长发光(蓝色光+绿色光+红 色光)的模式。上述两种模式的白光,都需要蓝色光,所以摄取蓝色光已成为制造 白光的关键技术,即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。目前国际上掌 握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家,所以白光L
6、ED的推广应用,尤其是高亮度 白光LED在我国的推广还有一个过程。2. 白光LED的工艺结构和白色光源。对于一般照明,在工艺结构上,白光LED通常采用两种方法形成,第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白 光;第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种 方法产生白光的系统如图1所示,图中LEDGaM芯片发蓝光(入p=465nm),它和YAG (钇铝石榴石)荧光粉封装在一起,当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光,结果,蓝光和黄光混合形成白光(构成LED的结构如图2所示)。第 二种方法采用不同色光的芯片封装在一起,通过各色光混合而产生白光。3. 白光LED照明新光源的应用前景
7、。为了说明白光LED的特点,先看 看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯,其光效为122 4流明/瓦; 荧光灯和HID灯的光效为50120流明/瓦。对白光LED:在1 9 9 8年, 白光LED的光效只有5流明/瓦,到了 1 9 9 9年已达到15流明/瓦,这一指 标与一般家用白炽灯相近,而在2000年时,白光LED的光效已达25流明/瓦,这一指标与卤钨灯相近。有公司预测,到2 0 0 5年,LED的光效可达5 0 流明/瓦,到2 0 15年时,LED的光效可望达到15 02 0 0流明/瓦。那 时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光 源,将成可能的现实
8、。普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜,但光效低(灯的热效应白白耗电), 寿命短,维护工作量大,但若用白光LED作照明,不仅光效高,而且寿命长(连 续工作时间10000小时以上),几乎无需维护。目前,德国Hella公司利 用白光LED开发了飞机阅读灯;澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LE D作路灯照明;我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示 灯。可以预见不久的将来,白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对 环境无污染、多色发光等的优点,虽然价格较现有照明器材昂贵,仍被认为是它将 不可避免地现有照明器
9、件。led-特点LED特点和优点LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,它有着广泛的用 途。体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小,非常 的轻。耗电量低LED耗电非常低,一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。 这就是说:它消耗的电不超过0.1W。使用寿命长在恰当的电流和电压下,LED的使用寿命可达10万小时高亮度、低热量环保LED是由无毒的材料作成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用。坚固耐用LED是被完全的封装在环氧树脂里面,它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也 没有松动的部分,这些特点使得L
10、ED可以说是不易损坏的。色温及颜色的应用:(1 )光源的色温:人们用与光源的色温相等或相近的完全辐射体的绝对温度 来描述光源的色表(人眼直接观察光源时所看到的颜色)又称光源的色温。色温是 以绝对温度K来表示。不同的色温会引起人们在情绪上不同的反应,我们一般把光 源的色温分成三类:a .暖色光:暖色光的色温在3300K以下,.暖色光与白炽灯光色相近,红光成 分较多,给人以温暖、健康、舒适的感觉,适用于家庭、住宅、宿舍、医院、宾馆 等场所,或温度比较低的地方。b .暖白光:又叫中间色,它的色温在3300K - 5300K之间。.暖白光光线柔和, 使人有愉快、舒适、安祥的感觉,适用于商店、医院、办公
11、室、饭店、餐厅、候车 室等场所。c .冷色光:又叫日光色,它的色温在 5300K以上,光源接近自然光,有明亮 的感觉,使人精力集中,适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆 的阅览室、展览橱窗等场所。演色性:光源对物体颜色呈现的程度称为演色性,也就是颜色的逼真的程度, 演色性高的光源对颜色的表现较好,我们所看到的颜色 也就较接近自然颜色,演 色性低的光源对颜色的表现较差,我们所看到的颜色偏差也较大。为何会有演色性高低之分呢?其关键在于该光线之分光特性,可见光之波长在 380mm至780mm之范围内,也就是我们在光谱中见到的红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫光的范围,如果光源所放射的光之中所
12、含的各色光的比例与自然光相近,则 我们眼睛所看到的颜色也就较为逼真。我们一般以显色指数为表征显色性。标准颜色在标准光源的辐射下,显色指数 定为100。当色标被试验光源照射时,颜色在视觉上的失真程度,就是这种光源的 显色指数。显色指数越大,则失真越少,反之,失真越大,显色指数就越小。不同的场所对光源的显色指数要求是不一样的。 在国际照明协会中一般把显色指数分 成五类:类别Ra适用范围1A 90美术馆、博物馆及印刷等行业及场所2B 80 90家庭、饭馆、高级纺织工艺及相近行业2 60 80办公室、学校、室外街道照明3 40 60重工业工厂、室外街道照明4 20 40室外道路照明及一些要求不高的地方
13、LED发展史*tQ .市走*:-诂*虹发光二极管的构造图i *发克时的尚道国50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生 于1960年。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。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式 释放出来,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。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, 半导体
14、晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。高光效、 低光衰大功率LED,已广泛应用于路灯、工矿灯、隧道灯、射灯、日光灯等诸多照 明领域,深受业界一致好评。1. 采用固态半导体器件晶片自主封装发光效率高,1W的亮度可达到普通日光 灯3W的效果,节约60%的电量,具有良好的光衰表现,耐高温 pc塑料材料精制。2. 较低的vf值(3.1v-3.5v),可降低耗散功率减少发热量,延长LED的工 作时间。3. 采用独创的环氧树脂封装工艺以电子的形式发出能量,正白和暧白的流明 值可做到差不多.产品无光斑色圈、显色高,一致性好。4. 透镜经过特殊方法处理保证不会掉落。5. 用途LED路灯,L
15、ED射光.LED灯饰,led射灯灯 大功率60W 80W 120W 160W 180W LED 装饰灯LED照明灯LED路灯LED工矿灯LED照明LED舞台灯。二、LED光源的特点LED1. 电压:LED使用低压电源,供电电压在 6-24V之间,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
16、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隙,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. 驱动:LED使用低压直流电即可驱动,具有负载小、干扰弱的优点,对使 用环境要求较低9. 显色性高:LED的显色性高,不会对人的眼睛造成伤害LED光源最早应择导福4结 当时所用的材料是GaAs三、单色光LED的种类及其发展历史回目录年代末。20毫安70年代中发光原理制成的LED光源问世于20世纪60 ),发红光(入p =650nm ),在驱动电流为 个流明,相应的发光效率约
17、 0.1流明/瓦。期,引入元素In和N,使LED产生绿光(入p =555nm ),黄光(入p =590nm ) 和橙光(入p =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。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(入p =615nm )的光效达到100流明/瓦,而后者制成的LED在绿色区域(入p =530nm )的光效可以达到50流明/瓦。四、单色光LED的应用回目录最初LED用作仪器
18、仪表的指示光源,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的 红色交通信号灯为例,在美国本LED线灯LED线灯来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失 90%,只剩下200流 明的红光。而在新设计的灯中, Lumileds公司采用了 18个红色LED光源,包 括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年,我国开始在汽车上安 装高位刹车灯,由于LED响应速度快(纳秒级),可以及早让尾随车辆的司机知 道行驶状况,减少汽车追尾
19、事故的发生。另外,LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏,匙扣式微型电筒等领域都得到 了应用。五、白光LED的开发回目录对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯 片发蓝光(入p =465nm , Wd=30nm ),高温烧结制成的含 Ce3+的YAG荧光 粉受此蓝光激发后发出黄色光发射,峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射 腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,约200-500nm 。 LED基片发出的蓝光部分 被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。现在, 对于I
20、nGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的 厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。六、什么是led灯的封装?回目录1 led灯封装解释简单来说led封装就是把led封装材料封装成led灯的过程;2 led灯封装流程一般led封装必须经过扩晶-固晶-焊线-灌胶-切脚-分光分色等流程;3 led灯封装材料led的主要封装材料有:芯片、金线、支架、胶水等;4 led灯封装设备扩晶设备、固晶机、焊线机、点胶机、烘烤箱等,一般分为全自动封装设备手 工封装设备两种。八、如何评判led灯封装的好坏?回目录led灯的好坏指标:角度、亮度、颜色(波长)一致性、抗静电
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- LED 发光 原理 发展 简史
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