LED灯的特点及其发光原理.doc

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，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 300～500 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（λp=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（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（ λp=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（λp=615nm）的光效达到 100 流明/ 瓦，而后者制成的 LED 在绿色区域（λp=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（λp=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 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（一般 10～30lm/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 0.05～1W ，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 1.5~5V 之间，工作电流在 20~70mA 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 V＜Va，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，GaAs 为 1V，红色 GaAsP 为 1.2V，GaP 为 1.8V，GaN 为 2.5V2）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V＞0 时，V＞VF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升，IF = IS e qVF/KT（3）反向死区 ：V＜0 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 9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故 pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+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=UF×IF. 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 Tj、外部环境温度为 Ta，则当 Tj＞Ta 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 10-3~10-5S，CRT 、PDP、LED 都达到 10-6~10-7S（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② 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＜10-9S，GaP 为10-7 S因此它们可用在 10~100MHZ 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 Iθ2.1.1 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 90°当偏离正法向不同 θ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 Iθ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）⑴ 为获得高指向性的角分布（如图 4）① LED 管芯位置离模粒头远些；② 使用圆锥状（子弹头）的模粒头；③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂采取上述措施可使 LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性⑵ 当前几种常用封装的散射角(2θ1/2 角)圆形 LED：5° 、10° 、 30°、45°2.2 发光峰值波长及其光谱分布⑴ LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——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① 是蓝色 InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰 λp = 460～465nm；② 是绿色 GaP:N 的 LED，发光谱峰 λp = 550nm；③ 是红色 GaP:Zn-O 的 LED，发光谱峰 λp = 680～700nm；④ 是红外 LED 使用 GaAs 材料，发光谱峰 λp = 910nm；⑤ 是 Si 光电二极管，通常作光电接收用。