LED灯的特点及其发光原理.doc

1、LED 灯的特点及其发光原理一、LED 的结构及发光原理 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。LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 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，

2、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。 二、LED 光源的特点 1. 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

3、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. 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 300500 只二极管构成。 三、单色光 LED 的种类及其发展历史 最早应用半导体 P-N 结发光

4、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（p=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（p=555nm），黄光（p=590nm）和橙光（ 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

5、提高。在 2000 年，前者做成的 LED 在红、橙区（p=615nm）的光效达到 100 流明/ 瓦，而后者制成的 LED 在绿色区域（p=530nm ）的光效可以达到 50 流明/瓦。 四、单色光 LED 的应用 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

6、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 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（p=465nm， Wd=30nm），高温烧结制成的含 Ce3

7、+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 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。 （编辑 李艳欣）LED 灯具特性LED（Light-Emitting-Diode）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，其特点如下： （1） 效率高按照通常的光效定义，LED 的发光效率并不高

8、（一般 1030lm/W，目前已知光效最高的橙红色 LED 光效可以达到 55lm/W），但由于 LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到 80-90%，而光效差不多的白炽灯其可见光效率仅为 10-20%。（2） 光线质量高由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，LED 属于典型的绿色照明光源。（3） 光色纯与白炽灯全频段光谱不同，典型的 LED 光谱狭窄，发出的光线很纯。（4） 能耗小单体 LED 的功率一般在 0.051W ，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。尤其是需要彩色光的时候，采用白光经过滤色的方式大费周折并且浪费能源，而 LED 固有的彩色

9、却是得天独厚。（5） 寿命长光通量衰减到 70%的标称寿命 10 万小时，实际上几乎无限。（6） 可靠耐用没有钨丝、玻壳等等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。（7） 应用灵活体积小，可平面封装易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。（8） 安全单体工作电压大致在 1.55V 之间，工作电流在 2070mA 之间。（9） 响应时间短适合于频繁开关以及高频运作的场合。（10） 绿色环保废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞成分。（11） 控制灵活通过调整电流可以调光，不同光色的组合可以调色，加上时序控制电路可以达到多样的动态变化效果。第一讲 LED 主

10、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 结结型器件的电学特性：I-V 特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。 1、LED 电学特性1.1 I-V 特性表征 LED 芯片 pn 结制备性能主要参数。LED 的 I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。如上图：（1） 正向死区：（图 oa 或 oa段）a 点对于 V0 为开启电压，当 VVa，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时 R 很大；开启电压对于不同 LED 其值不同，GaA

11、s 为 1V，红色 GaAsP 为 1.2V，GaP 为 1.8V，GaN 为 2.5V。（2）正向工作区：电流 IF 与外加电压呈指数关系IF = IS (e qVF/KT 1) -IS 为反向饱和电流。V0 时，VVF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升，IF = IS e qVF/KT（3）反向死区 ：V0 时 pn 结加反偏压 V= - VR 时，反向漏电流 IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为 10uA。（4）反向击穿区 V- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应 IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使 V- VR 时，则出现 IR 突然增加而出现击穿现

12、象。由于所用化合物材料种类不同，各种 LED 的反向击穿电压 VR 也不同。1.2 C-V 特性鉴于 LED 的芯片有 99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，故 pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）Cn+pf 左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图 2）。由 1MHZ 交流信号用 C-V 特性测试仪测得。1.3 最大允许功耗 PFm当流过 LED 的电流为 IF、管压降为 UF 则功率消耗为 P=UFIF. LED 工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为

13、 Tj、外部环境温度为 Ta，则当 TjTa 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为 P = KT（Tj Ta）。1.4 响应时间响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示 LCD（液晶显示）约 10-310-5S，CRT 、PDP、LED 都达到 10-610-7S（us 级）。1.响应时间从使用角度来看，就是 LED 点亮与熄灭所延迟的时间，即图 3 中 tr 、tf 。图中 t0 值很小，可忽略。 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

14、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10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在 10100MHZ 高频系统。2 LED 光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。2.1 发光法向光强及其角分布 I2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为

15、 90。当偏离正法向不同 角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。2.1.2 发光强度的角分布 I是描述 LED 发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否） 为获得高指向性的角分布（如图 4） LED 管芯位置离模粒头远些； 使用圆锥状（子弹头）的模粒头； 封装的环氧树脂中勿加散射剂。采取上述措施可使 LED 21/2 = 6左右，大大提高了指向性。 当前几种常用封装的散射角(21/2 角)圆形 LED：5 、10 、 30、45。2.2 发光峰值波长及其光谱分布 LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘

16、成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及 pn 结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得 LED 光谱响应曲线。其中 是蓝色 InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰 p = 460465nm； 是绿色 GaP:N 的 LED，发光谱峰 p = 550nm； 是红色 GaP:Zn-O 的 LED，发光谱峰 p = 680700nm； 是红外 LED 使用 GaAs 材料，发光谱峰 p = 910nm； 是 Si 光电

17、二极管，通常作光电接收用。由图可见，无论什么材料制成的 LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用 p表示。只有单色光才有 p波长。 谱线宽度：在 LED 谱线的峰值两侧 处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应 p- ，p+ 之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即 LED 单色性的参数， LED 半宽小于 40 nm。 主波长：有的 LED 发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述 LED 色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由 LED 发出

18、主要单色光的波长。单色性越好，则 p也就是主波长。如 GaP 材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED 长期工作，结温升高而主波长偏向长波。2.3 光通量光通量 F 是表征 LED 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F 为 LED 向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。可见光 LED 的光通量单位为流明（lm ）。LED 向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色 LED 的光通量最大约 1 lm，白光 LED 的 F1.51.8 lm（小芯片），对于 1mm1mm 的功率级芯片制成白光 L

19、ED，其 F=18 lm。2.4 发光效率和视觉灵敏度 LED 效率有内部效率（ pn 结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED 光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在 = 555nm 处有一个最大值 680 lm/w，若视觉灵敏度记为 K，则发光能量 P 与可见光通量 F 之间关系为 P=Pd ； F=KPd 发光效率量子效率 =发射的光子数/pn 结载流子数= （e/hcI ）Pd。若输入能量为W=UI，则发光能量效率 P=P/W 若光

20、子能量 hc=ev，则 P，则总光通 F=（F/P ）P=KPW 式中 K= F/P。 流明效率：LED 的光通量 F/外加耗电功率 W=KP 它是评价具有外封装 LED 特性， LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。以下列出几种常见 LED 流明效率（可见光发光效率）：品质优良的 LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为 =ice，式中 i 向为 p、n 结区少子注入效率，c 为在势垒区少子与多子复合效率，e 为外部出光（光取出效率）效率。由于 LED 材料

21、折射率很高 i3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占 32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率 e 可采取以下措施： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂 n=1.55 并不理想）覆盖在芯片表面； 把芯片晶体表面加工成半球形； 用 Eg 大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用 n=2.42.6 的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且热塑性大的作封帽，可使红外 GaAs、GaAsP、GaAlAs 的 LED 效率提高 4

22、6 倍。2.5 发光亮度亮度是 LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度 BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为 cd/m2 或Nit。若光源表面是理想漫反射面，亮度 BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为 14108Nit。LED 亮度与外加电流密度有关，一般的 LED，JO（电流密度）增加 BO 也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，c（复合效率）下降，BO 减小。当环境温度不变，电流增大足以引起 pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。2.6 寿命老化：LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为 Bt=BO e-t/，Bt 为 t 时间后的亮度，BO 为初始亮度。通常把亮度降到 Bt=1/2BO 所经历的时间 t 称为二极管的寿命。测定 t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。