LED基础知识培训资料

1、深圳辉锐光电科技有限公司,企业内部培训资料 （LED基础知识培训）-2010.10.20,培训资料目录,一、前言 二、LED基础知识 三、LED的应用指南 四、ESD和LED 五、电应力和热应力控制 六、LED术语解释,第六章 LED术语解释,1、色温（color temperature）指用黑体（理论上可完全吸收外来光的虚拟物体）的温度表示光的颜色的数值。单位为K（开尔文）。黑体发出光的波长分布（色调）因温度而异。色温常用于表示荧光灯和白色LED的光色，及显示器可显示的白色的程度。一般来说，色温低时看上去发红，色温高时发青。 以白色LED为例，结合使用蓝色LED芯片和黄色荧光体的一般品种（平均演色性指数Ra为70以上）多为色温在6000K以上的昼光色，而追加红色荧光体等红色光的灯泡色LED的色温多在3000K以下。改进与蓝色LED芯片组合的荧光体的光色，还可获得4000K以上和5000K以上等色温。色温可依照明器具的设置场所分别使用。例如，办公室等最好设置与太阳光接近、色温较高的照明器具，而一般家庭和饭店等大多喜欢采用与白炽灯接近、色温较低的照明器具。如下图所示：,2、光效下降现象（

2、LED droop）,光效下降现象是指，向芯片输入较大电力时LED的发光效率反而会降低的现象。作为有助于削减单位光通量成本的技术，各LED厂商都在致力于抑制光效下降现象。如果能抑制该现象，使用相同的芯片，在输入较大的电力时会增加光通量。因此，可减少用于获得相同光通量的芯片数，从而削减单位光通量的成本。美国飞利浦流明（Philips Lumileds Lighting）等很早就开始研究如何抑制光效下降现象。现在，日亚化学工业和德国欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）等众多LED厂商也开始倾力研究。各LED厂商打算把在输入电流1A，输入功率3W时明显出现光效下降现象的电流和功率的领域扩大约3倍。,3、照明综合效率（lamp and auxiliary efficacy）,照明的全光通量与器具整体耗电量的比值。一般情况下，由于LED照明会受到电源损失和温度上升的影响，因此照明器具整体的发光效率（综合效率）要比LED单体的发光效率低3050。以白色LED为例，LED照明器具的综合效率低于LED单体发光效率的理由如下。首先，将白色LED用于照明器具时，

3、发光效率多会降得比白色LED的目录值还要低。这是由于目录值多为输入脉冲状电流，LED的发光部分（活性层）的温度几乎不上升的理想状态下的发光效率。但照明器具多在向LED输入固定电流的状态下使用，实际上活性层的温度会上升。考虑到这种情况，发光效率会降低约20。另外，在将交流电转换为直流电、向LED供电的电源转换电路上，功率会降低1015左右。照明器具中设置有反射板和透镜，以使光线射向希望的方向，这一过程中会损失近10的光线。将这些加在一起，照明器具整体的发光效率与只有光源的目录值相比会降低40左右。,4、发光效率（luminous efficacy）,评测光源效率的指标，用光源发出的光通量（lm）与向光源输入的电力（W）之比表示。单位为lm/W。最近，白色LED的发光效率超过了100lm/W。作为有望继白炽灯和荧光灯之后成为新一代光源的白色LED，其发光效率能否达到与直管型荧光灯的综合效率相同的100lm/W备受关注。发光效率只表示光源的效率，与将光源安装到照明器具上后器具的整体效率（综合效率）是不同的概念。发光效率是将外部量子效率用视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）来表示的数值。外部量子效率

4、是发射到LED芯片和封装外的光子个数相对于流经LED的电子个数（电流）所占的比例。,组合使用蓝色LED芯片和荧光体的白色LED的外部量子效率，是相对于内部量子效率（在LED芯片发光层内发生的光子个数占流经LED芯片的电子个数（电流）的比例）、芯片的光取出效率（将所发的光取出到LED芯片之外的比例）、荧光体的转换效率（芯片发出的光照到荧光体上转换为不同波长的比例）以及封装的光取出效率（由LED和荧光体发射到封装外的光线比例）的乘积决定。 在发光层产生的光子的一部分或在LED芯片内被吸收，或在LED芯片内不停地反射，出不了LED芯片。因此，外部量子效率比内部量子效率要低。发光效率为100lm/W的白色LED，其输入电力只有32作为光能输出到了外部。剩余的68转变为热能。 今后3年将提高100lm/W 。 发光效率在2003年之前一直以每年数lm/W的速度缓慢提高。在提高发光效率时，最初未改变荧光体和封装，而是致力于改进芯片技术。具体而言，进行了诸如改善蓝色LED芯片所使用的GaN类半导体结晶的MOCVD结晶成长技术等。,从2004年开始，发光效率以每年1020lm/W的速度提高。由此，从2

5、004年的50lm/W到2008年的100lm/W，4年间提高了50lm/W。这种速度的实现，借助了将原来聚集于成膜技术的芯片技术改进扩展至了整个LED制造工艺那样的重大调整。另外，除了改进芯片技术外，还开始对荧光体进行改善。,5、外延生长（epitaxial growth）,在基片上生长结晶轴相互一致的结晶层的技术。用于制作没有杂质和*的结晶层。包括在基片上与气体发生反应以积累结晶层的VPE（气相生长）法、以及与溶液相互接触以生长结晶相的LPE（液相生长）法等。 蓝色LED、白色LED以及蓝紫色半导体激光器等GaN类发光元件一般采用VPE法之一的MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法进行生产。MOCVD采用有机金属气体等作为原料。蓝色LED在蓝宝石基片和SiC基片上，蓝紫色半导体激光器在GaN基片上使用MOCVD装置使得GaN类半导体层形成外延生长。,6、量子阱（quantum well）,利用带隙较宽的层夹住带隙窄且极薄的层形成的构造。带隙较窄的层的电势要比周围（带隙较宽的层）低，因此形成了势阱（量子阱）。在LED和半导体激光

6、器中，量子阱构造用于放射光的活性层。重叠多层量子阱的构造被称为多重量子阱（MQW：multiquantum well）。 蓝色LED等是通过改良量子阱构造等GaN类结晶层的构造取得进展的。GaN类LED在成为MIS（metal-insulatorsemiconductor）构造，pn接合型双异质结构造，采用单一量子阱的双异质结构造以及采用多重量子阱的双异质结构造的过程中，其亮度和色纯度得到了提高。采用MIS构造的蓝色LED在还没有实现p型GaN膜时，就被广泛开发并实现了产品化。缺点是光强只有数百mcd。,p型GaN膜被造出来之后，采用pn接合型双异质结构造的蓝色LED得以实现。与MIS构造相比，发光亮度达到了1cd，是前者的10倍左右。如果用多重量子阱构造来取代pn接合型双异质结构造，发光光度和色纯度会进一步提高（发光光谱的半值幅度变窄）。,7、基片（substrate）,LED和半导体激光器等的发光部分的半导体层，是在基片上生长结晶而成。采用的基片根据LED的发光波长不同而区分使用。如果是蓝色LED和白色LED等GaN类半导体材料的LED芯片，则使用蓝宝石、SiC和Si等作为基片，如

7、果是红色LED等采用AlInGaP类材料的LED芯片，则使用GaAs等作为基片。 因LED发光波长而使用不同基片的原因是为了选择与LED发光部分半导体结晶的晶格常数尽量接近的晶格常数的廉价基片材料。这样做晶格常数的差距（晶格失配）就会缩小，在半导体层中阻碍发光的结晶*的可能性就会减少。而且能降低LED芯片的单价。另外，蓝紫色半导体激光器等电流密度和光输出密度较大的元件，则采用昂贵的GaN基片。GaN基片还用于部分蓝色LED。如下图所示：,8、GaN（gallium nitride）,由镓（Ga）和氮（N）构成的化合物半导体。带隙为3.45eV（用光的波长表示相当于约365nm），比硅（Si）要宽3倍。利用该特性，GaN主要应用于光元件。通过混合铟（In）和铝（Al）调整带隙，所获得的LED和蓝紫色半导体激光器等发光元件已经实用化。 GaN由于带隙较宽，可产生蓝色和绿色等波长较短的光。蓝色LED和蓝紫色半导体激光器，采用了在GaN中添加In形成的InGaN。除了带隙较宽以外，GaN还具有绝缘破坏电场高、电场饱和速度快、导热率高等半导体材料的优异特性。另外，采用HEMT（High Elec

8、tron Mobility Transistor）构造的GaN类半导体元件，其载流子迁移率较高，适合用作高频元件。原因是会产生名为“二维电子气体层”的电子高速流动领域。而且，由于绝缘破坏电场要比Si和GaAs大，耐压较高，可施加更高的电压。因此，在手机基站等高频功率放大器电路中采用GaN类HEMT的话，能够提高电力附加效率，降低耗电。,最近，GaN作为逆变器及变压器等电力转换器使用的功率元件也极受期待。原因是与Si功率元件相比，GaN类功率元件可大幅降低电力损失。由于绝缘破坏电场较高，能够通过减薄元件降低导通电阻，从而降低导通损失。,9、光通量光强亮度照度（luminous flux/luminous intensity/luminance/illuminance）,光通量是表示光源整体亮度的指标。单位为lm（流明）。在表示照明光源的明亮程度时经常使用。是参考人眼的灵敏度（视觉灵敏度）来表示光源放射光亮度的物理量。具体数值为各向同性的发光强度为1cd（堪德拉）的光源在1sr（立体弧度）的立体角内放射的光通量为1lm。此处的sr为立体角的单位，表示从球面向球心截取的面积为半径（r）的2次

9、方（rsize=+02）的圆锥体的顶角。 光强是表示光通量立体角密度的指标。单位为cd。多在表示显示用LED等的眩光时使用。其定义为：发射5401012Hz（波长555nm）频率单色光，在指定方向的光线发射强度为1/683W/sr的光源，在该方向的光强就定义为1cd。 亮度是表示从光源及反射面和透射面等二次光源向观测者发出的光的强度指标。单位为cd/m2。与光通量一样，是结合人眼的灵敏度表示的物理量。大多在表示液晶面板和PDP等显示器画面的亮度时使用。,照度是表示照射到平面上的光的亮度指标。单位为lx（勒克司），有时也标记为lm/m2。是指光源射向平面状物体的光通量中，每单位面积的光通量。用于比较照明器具照射到平面上的明亮程度。,10、演色性（color rendition）,指利用照明器具的光照射物体时，反映以何种程度再现了与自然光照射时相同颜色的指标。一般情况下，多使用平均演色性指数（Ra）来表示。平均演色性指数越接近100的光源，越能再现与自然光照射时相同的颜色。作为照明用途，普通家庭和办公室室内使用的照明器具的Ra为80以上、走廊等为70以上；美术馆、物品检验以及店铺等注重演色

10、性的用途，大多在90以上。 用于照明的白色LED，大体分为低Ra和高Ra品种。演色性与发光效率具有此消彼长的关系，优先考虑演色性，发光效率会降低2030。为此，出现了发光效率优先和演色性优先的不同品种。演色性高的光，其光谱接近自然光。也就是说，发光强度相对于发光波长的变化较小；而发光效率高的光，在人眼视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）高的领域（550nm附近的峰值），其发光峰值较大。,例如，组合蓝色LED芯片和黄色荧光体得到的疑似白光的普通白色LED，其Ra只有70多。在其中添加红色荧光体等即可将Ra提高到80以上。Ra超过90的白色LED则是出于使发光光谱的变化更加平滑的目的，而对蓝色LED组合使用了绿色荧光体和红色荧光体等。此外，对近紫外LED组合使用红色、绿色和蓝色等多种荧光体，可获得Ra超过90的白色LED。如下图所示：,11、光学设计（optical design）,LED的用途包括指示器、液晶面板背照灯、照明器具以及前照灯等，范围极广。对白色LED的发光特性要求呈现出多样化趋势。另外，LED是点光源，而且具有指向性较强的特点。要想满足广泛的用途要求，需要根据LED的这些特点，采用透镜等光学部件，将属于点光源且指向性强的LED光线转变为所期望光学特性的光学设计必不可少。光学设计将为LED增添价值。 日美欧的LED厂商正在瞄准背照灯，车载设备以及照明产品等新兴市场扩大业务范围。在新兴市场上，与光学部件的组合使用，面向产品的安装方法，产品整体的配光控制等越来越重要。LED厂商的目标是涉足这些领域，提高产品的附加值。 在照明用途领域，要想接近所期望的光学设计，不但要准备放射角各异的多种产品，LED厂商还在很多方面下了工夫。例如，德国欧司朗光电半导体实现了多种透镜的使用。备有不同形式的高输出功率白色LED和透镜，将放射角各异的透镜与白色LED相结合。在白色LED的封装上开孔，以插入带有凸起的透镜。这样一来，白色LED的放射面和透镜的光轴便可轻松结合在一起，而且一旦结合在一起，光轴就不会错位。,

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