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LED 光电基础知识 1语言资格考试PPT目錄1.甚麼是LED2.LED的優點/缺點 3.LED的光學特性4.LED測試的基本概念5.白光LED6.總結2语言资格考试PPT1. 甚麼是LEDnLight Emitting Diode (發光二極管)n二極管(Diode)的一種n有着和二極管相同的电学特性n會發光 (可見光或不可見光,如IR, UV)二極管發光二極管符號 3语言资格考试PPT1. 甚麼是LEDn基本结構:1. 襯底2. n-GaN3. p-GaN4. MQWs5. 金屬接觸/电極6. 基座 (optional)4语言资格考试PPT1. 甚麼是LEDn二極管¨半導体器件¨以電壓控制電流的器件n正向偏壓 (forward bias) ¨當电壓大於開啟电壓(Vf)後电流可通過n反向偏壓 (reverse bias) ¨漏電 (leakage current)¨當电壓大於擊穿電壓(breakdown voltage)後电流可通過5语言资格考试PPT1. 甚麼是LEDI-V特性6语言资格考试PPT1. 甚麼是LEDnLED為甚麼會發光?¨當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量 ¨多層量子阱 --增加複合機會LED內部工作原理7语言资格考试PPT1. 甚麼是LEDnLED為甚麼會發光?¨並不是所有半導體都會發光nDirect band-gap (可發光, e.g. GaN, GaAs)nIndirect band-gap (不可發光, e.g. Si)8语言资格考试PPT2. LED的優點/缺點 n優點¨發光(能量轉換)效率高 - 也即較省電。

比燈泡高，但與螢光燈相約¨反應(開關)時間快 - 可以達到很高的閃爍頻率 ¨使用壽命長 - 達35,000 ~ 50,000小時，相對螢光燈為10,000 ~ 15,000小時，白熾燈為1,000 ~ 2,000小時 ¨耐震蕩等機械衝擊 - 由於是固態元件，相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震蕩 ¨體積小 - 其本身體積可以造得非常細小(小於2mm) ¨便於聚焦 - 因發光體積細小，易於而以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外形，方向性從大角度的散射以至集中於細角度都可以達到 ¨多種顏色 - 能在不加濾光器下提供多種不同顏色，而且單色性強 ¨色域豐富 - 白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣 9语言资格考试PPT2. LED的優點/缺點n 缺點 ¨散熱問題，如果散熱不佳會大幅縮短壽命 ¨除非購買高級產品、否則省電性還是低於螢光燈（冷陰極管，CCFL），有些LED的省電性也低於省電燈泡省電燈泡 ¨初期成本較高 ¨因光源屬於方向性，燈具燈具設計需考量光學特性 10语言资格考试PPT3. LED的光學特性n發展初期，採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線或紅光n1993年，當時在日本日亞化工日亞化工（Nichia Corporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵氮化鎵（GaN）和銦氮化鎵銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光LED，這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。

n隨著材料科學的進步，各種顏色的發光二極體，現今皆可製造11语言资格考试PPT3. LED的光學特性n材料決定了波長,而波長決定了發光顏色nInGaN/GaN (銦氮化鎵/氮化鎵)是現時APT製造LED的主要外延材料nAPT白光LED:籃光LED +黃磷Reference: http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=LED&variant=zh-tw#.E5.8E.9F.E7.90.8612语言资格考试PPT3. LED的光學特性nEnergy Gap (禁带宽度), 波長與 lattice constant (晶格常数)的關係nGreen gap– AlInGaP, InGaN 绿光发光效率都低Green gap13语言资格考试PPT3. LED的光學特性14语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念 n正向偏壓 (Vf1, Vf2, If)n反向偏壓, ESD (Vr, Ir)n峰值波長 (WLP)nFWHMn主波長 (WLD)n亮度(LOP, lm, mcd, mW…)n光分佈15语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念 n正向偏壓(If1, Vf1, Vf2, J)¨If1 --正向電流/工作電流,一般根據芯片大小決定,如1mm x 1mm芯片為350mA.¨Vf1 --正向電壓, 一般為對應If1的工作電壓.¨Vf2 -- 正向電壓, 業界定Vf2用作監控產品的漏電情况,一般以10uA作測試,大於2-2.2V為合格.¨J -- 電流密度,在比較不同尺寸芯片性能時,一般會用J取代I.¨Pin -- 輸入工率,即 If x Vf,單位 W, 亦有以此作產品定義,如1mm x 1mm定義為 1W芯片.16语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念n影響Vf的因素:¨電阻值(R)大nLED電阻值¨p-GaN, n-GaN (internal)¨p, n-Ohmic contact (contact)¨Metal layer layout, wire, package…etc(external)VIidealnormalHigh VfV=IRMQWRint-pRint-nRcont-pRcont-nRext-nRext-p17语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念 n反向偏壓, ESD (Ir, Vr, Vbr, VESD)¨Ir -- 反向電流,在理想的情况下,此數值為零;但實際會有極小的電流,一般稱為漏電.¨Vr -- 反向電壓,業界多定 Vr = -5V作為Ir的測試條件¨Vbr -- 擊穿電壓,當Vr > Vbr, Ir會急速上升.¨VESD -- 抗静電電壓,一般以高脈衝電壓作測試. 抗静電電壓的高低一般取決於材料的質量.亦可外加ESD保護器件.18语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念nIR成因:¨晶體缺陷 (Defects)n當電壓大於缺陷可承受的電壓 (如VESD)n可能導致缺陷擴大¨短路 (Short circuit)n光刻缺陷n污染物nESD保護電路¨齊納(稽納)二極體 VI19语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念 n峰值波長 – WLP nFWHM --見右圖,一般要求不多於20nm.20语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念 n主波長 – WLD,在測試LED顏色時,可得到 CIE 1931座標,由white point起至所得的座標作一直線並申延至尺上波長.業界使用WLD較WLP為多.CIE 193121语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念 n亮度 (LOP or Iv)¨Solid angle (立體角): Unit sr¨radiant flux: Unit Watt (W)¨luminous flux: Unit lumen (lm)¨Radiant intensity (Ie): Unit W/sr¨Luminous intensity (Iv): Unit lm/sr or candela (cd)¨Radiant 輻射 (電學)¨Luminous 發光 (光學)22语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念n電學光學是靠 Photopic Luminosity function轉換n人對555nm (綠色)最敏感n@555nm, 1W = 683lmPhotopic luminosity functions @475nm, 1W = 683 x 0.1 =68.3lm23语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念nAPT亮度提高方法¨外延方面nCurrent blocking layer -- 阻擋電子流過,增加電洞和電子相遇的機會nμPSS -- μ尺寸, 減少光子在器件內全反射從而增加出光效率,對減少外延位错有幫助nnPSS -- n尺寸,進一步增加出光效率及減少外延位错¨P-金屬層反光率 n先決條件: 平滑的p-GaN表面n由A系 50%改良至B系80%,年初上升至95%Current blocking layer24语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念25语言资格考试PPT4. LED測試的基本概念n光分佈26语言资格考试PPT5. 白光LEDn紅綠藍系統(RGB system)¨有了藍光LED之後，結合原有的紅光LED和綠光LED便可產生白光，這樣產生的白光LED有很廣的色域，但由於成本相當高，大部份白光LED很少採用這方法，現在只有只有在高檔次、有高要求的產品中使用。

27语言资格考试PPT5. 白光LEDn磷光劑白光LED¨現在大部份的白光LED都採用單一發光單元發出較短波長的光(如藍光或紫外光)，再用磷光劑把部份或全部光轉化成一或多種其他顏色的光(波長較長的光)，當所有光混合起來後，看起來便像白光28语言资格考试PPT5. 白光LEDn色温 Color temperature¨以絕對溫度K來表示，即將一標准黑體加熱，溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時，我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫 名名稱稱說明說明暖色光暖色光的色溫在3300K以下，暖色光與白熾燈相近，紅光成分較多，能給人以溫暖，健康，舒適的感受適用與家庭，住宅，宿舍，賓館等場所或溫度比較低的地方冷白色光又叫中性色，它的色溫在3300K到5300K之間，中性色由於光線柔和，使人有愉快，舒適，安詳的感受適用與商店，醫院，辦公室，飯店，餐廳，候車室等場所冷色光又叫日光色，它的色溫在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感覺，使人精力集中適用與辦公室，會議室，教室，繪圖室，設計室，圖書館的閱覽室，展覽櫥窗等場所29语言资格考试PPT5. 白光LED30语言资格考试PPT5. 白光LEDn顯色性 (CRI)¨光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度¨光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基准光（太陽光）照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性¨顯色性高的光源對顏色表現較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色表現較差，我們所見到的顏色偏差也較大。

¨國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100，各類光源的顯色指數各不相同，如：高壓鈉燈顯色指數Ra=23，熒光燈管顯色指數Ra=60~90 31语言资格考试PPT5. 白光LEDn光效： ¨衡量光源節能的重要指標，就是光源發出的光通量除以光源所消耗的功率單位：流明/瓦（lm/W）¨例子: APT 45mil白光產品I = 350mA, V = 3.2V, 白光光通量 = 100lm光效= 100lm / (350mA x 3.2V)= 89.3lm/W¨現時市場主流 80lm/W@350mA¨Cree實驗品 161lm/W@350mA32语言资格考试PPT5. 白光LED光源效率（Lm/W）壽命普通燈泡131倍石英鹵素燈182倍省電燈泡(含安定器)655倍傳統日光燈755倍PL型日光燈(即U型日光燈)8010倍三波長日光燈管9510倍白光LED燈80-100100倍n參考數據： 33语言资格考试PPT6.總結nLED是二極管的一種, 有着類似的電學特性.n當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量n各種顏色的發光二極體，現今皆可製造。

n正向偏壓, 反向偏壓, 峰值波長, FWHM, 主波長, 亮度, 光分佈n白光LED的製造n色溫,顯色性,光效34语言资格考试PPT•202035语言资格考试PPT•2020。