LED发光原理及牲

1、第二第二章章 LED的发光原理的发光原理 及特牲及特牲 LED的发光原理的发光原理 LED的光、色、电特性的光、色、电特性 LED的种类的种类 LED的特点的特点 白光白光LED的实现的实现 LED是“light emitting diode”的英文缩写。 中文名:发光二极管。 LED是一种将电能转换为光能的固体电致发光(EL) 半导体器件。 LED实质性核心结构是由元素谱中的-族或-族化合物材料构成的p-n结。物体的物体的发光方式发光方式冷光热光：又叫热辐射，是指物质在高温下发：又叫热辐射，是指物质在高温下发出的光。出的光。：某种能源在较低温度时所发：某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时

2、，某个原出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定的，该于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。释放出来，回到基态。白炽灯：当钨丝在真白炽灯：当钨丝在真空或是惰性气体中加空或是惰性气体中加热至很高的温度，就热至很高的温度，就会发出白光。会发出白光。生物发光：萤火虫生物发光：萤火虫化学发光：荧光粉化学发光：荧光粉阴极射线发光：荧光灯、阴极射线发光：荧光灯、 金卤灯金卤灯场致发光：无极灯场致发光：无极灯电致发光：电致发光：LEDLED 电致发光原理：电

3、场的作用激发电子由低能态跃迁到高能态，当这些电子从高能态回到低能态的时候，根据能量守恒原理，多余的能量将以光的形式释放出来。 LED发光原理：电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光子的形式释放。LED发光原理图1。电子迁移率比空穴大得多。2。N区的电子注入P区速度小，跃迁到价带与注入和空穴复合，发射出由N型半导体能量所有决定的光。LED大都采用直接跃迁材料：大都采用直接跃迁材料：直接带隙半导体直接带隙半导体直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满间中

4、同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。能带）只需要吸收能量。 直接带隙半导体（直接带隙半导体（Direct gap semiconductor）的例子：）的例子：GaAs、InP半导体。相反，半导体。相反，Si、Ge是间接带隙半导体。是间接带隙半导体。 直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时，电子波矢不直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时，电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着电子在跃迁过程中，动量变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着电子在跃迁过程中，动量可保持不变可保持不变满足动量守恒定律。相反，如果导带电子下落

5、到价带满足动量守恒定律。相反，如果导带电子下落到价带（即电子与空穴复合）时，也可以保持动量不变（即电子与空穴复合）时，也可以保持动量不变直接复合，即电子直接复合，即电子与空穴只要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。因与空穴只要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。因此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时，这种直接复合可此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出（因为没有声子参与，故也没有把能以把能量几乎全部以光的形式放出（因为没有声子参与，故也没有把能量交给晶体原子）量交给晶体原子）发光效率高发光效率高（这也就

6、是为什么发光器件多半采用（这也就是为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作的根本原因）。直接带隙半导体来制作的根本原因）。 LED的输出光谱决定其发光颜色和光辐射纯度，也反映出半导体的特的输出光谱决定其发光颜色和光辐射纯度，也反映出半导体的特性。性。目前发光二极管用的都是直接带隙材料GaAsGaAsSiSi直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（Radiative Transition）有以下可能性：导带价带（）带间复合导带价带（）自由激子相互抵消（）在能带势能波动区，局部束缚激子的复合图（）和（）是一般红光产生光的原理，而图（）是蓝光产生光的原理 LED自发性的发光是由于电子与空穴的

7、复合而产生的。 当LED两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光。E E光光子子各种颜色光的波长 光色光色波长波长（nm)代表波长代表波长红（Red）780630700橙（Orange）630600620黄（Yellow）600570580绿（Green）570500550青（Cyan）500470500蓝（Blue）470420470紫（Violet）420380420 光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即 1240/Eg（mm） 电子由导带向价带跃迁时以光的

8、形式释放能量，大小为禁带宽度Eg。 Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会蓝移。反之， Eg越小，所发出的光子波长就越长，颜色就会红移。 若要产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应该在1.593.26 eV之间。 在此能量范围之内，带隙为直接带的-族或-族半导体材料只有GaN、 GaP等少数材料，也可以利用-族或-族二元化合物组成新的三元或四元-族或-族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。 光的颜色与芯片的材料有关系。 材料不一样，电子和空穴复合的能量不一样，发出的光也不一样。 红、黄光芯片的主要材料：AlGaInP、 GaAlAs 蓝、绿光

9、芯片的主要材料：GaN、 InGaN窗口层窗口层P-P-限制层限制层N - 限 制限 制层层活性层活性层布拉格反布拉格反射层射层衬底衬底 LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的特性： （1）电学特性 （2）光学特性 （3）热学特性 电电学学特特性性I-V特性响应时间允许功耗LED的伏-安（I-V）特性（1） LED的伏-安（I-V）特性是流过芯片PN结电流随施加到PN结两端上电压变化的特性，它是衡量PN结性能的主要参数，是PN结制作优劣的重要标志。（2）LED具有单向导电性和非线性特性。0IF反向死区VB死区电压正向工作区击穿区正向电流对LED较为重要的电学参数 开

10、启电压UON正向电流IF 正向电压VF 反向电压VR BCE开启电压：电压在开启点以前几乎没有电流，电压一超过开启点，很快就显出欧姆导通特性，电流随电压增加迅速增大，开始发光。开启点电压因半导体材料的不同而异。GaAs是1.0V，GaAs1-xPx，Ga1-xAlxAs大致是1.5V（实际值因x值的不同而有些差异），GaP（红色）是1.8V，GaP（绿色）是2.0V，GaN 为2.5V 。正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。小功率彩色LED一般是在IF=2

11、0mA时测得的，正向工作电压VF在1.52.8V。功率级LED一般在IF=350mA时测得的，正向工作电压VF在24V。在外界温度升高时，VF将下降。最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。反向击穿电压也因材料而异，一般在-2V以上即可。反向漏电：当加反向电压时，外加电场与内建势垒电场方向相同，便阻止了多数载流子的扩散运动，所以只有很小的反向电流流过管子。但是，当反向电压加大到一定程度时，结在内外电场的作用下，把晶格中的电子强拉出来，参与导电，因而此时反向电流突然增大，出现反向击穿现象。正向的发光管反向漏电流IR10A以下反向漏电流IR（V= -5V）时

12、，GaP 为0，GaN 为10uA。反向电流越小，说明LED的单向导电性能越好。VB3.0v3.0v350mA350mAAlGaInP LEDAlGaInP LED-100mA-100mA-20v-20v3.4v3.4v350mA350mAInGaN LEDInGaN LED-100mA-100mA-7v-7vLED的电容一般包括PN结结电容和内引线分布电容等在内的总电容,PN结电容占主要地位。鉴于LED 的芯片有99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，及封装结构的不同，电容量也不同，有的远小于1PF，有的则

13、达100PF以上。C-V 特性呈二次函数关系。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。 LED C-V 特性CV特性先讲概念，然后再将为什么要进行CV特性测试，CV特性反映LED的那些特性等响应时间 LED响应时间是指：通一正向电流时开始发光和熄灭所延迟时间，标志LED反应速度。 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、GaA

14、sP、GaAlAs 其响应时间小于10-9S。因此它们可用在10100MHZ 的高频系统中。 允许功耗允许功耗P 当流过LED的电流为IF、管压降为UF ，那么，LED的实际功率消耗P为： P=UFIF LED工作时，外加偏压、偏流一部分促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温大于外部环境温度时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量。为保证LED安全工作，应该保证实际功率在最大允许功耗范围内。光光学学特特性性空间分布光谱分布光学参数LED发光强度的空间分布发光强度的空间分布 发光强度的空间分布又叫配光曲线。发光强度的空间分布又叫配光曲线。 空间分布不均匀空间分布不均匀 LED辐

15、射的空间特性取决于封装半导体芯片辐射的空间特性取决于封装半导体芯片结构及封装形式。结构及封装形式。 封装好的封装好的LED内可能带有内部反射杯、透镜内可能带有内部反射杯、透镜以及一些散射和滤色材料。以及一些散射和滤色材料。发光面和角分布发光面和角分布光谱特性 LED光辐射光谱分布有其独特的一面。它不是单色光（如激光），也不是宽光谱辐射（如白炽灯），而是介于两者之间：有几十纳米的带宽、峰值波长位于可见光或近红外区域。 LED的波长分布有的不对称，有的则有很好的对称性，具体取决于LED所使用的材料种类及其结构等因素。 改变发光层的电致发光层结构及合金组分的比例，都会引起谱线的峰值波长和半宽度的变化

16、。 LED光谱特性表征其单色性的优劣和其主要颜色是否纯正。 YAG荧光粉 LED的光学参数的光学参数 光谱半宽度光谱半宽度 峰值波长峰值波长 中心波长中心波长光谱分布和峰值波长：有的发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图所示。该发光管所发之光中某一波长P的光谱能量（光强）最大，该波长为峰值波长。只有单色光有峰值波长，不同颜色的LED峰值波长是不同的，红光LED的峰值波长一般为690nm左右。蓝光LED的峰值波长一般为470nm左右。光谱半宽度:它表示发光管的光谱纯度。是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。中心波长入是指A、B的中点处对应的波长。热学特性热学特性 当电流流过LED时

17、，其PN结的温度（简称结温）将升高，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。 结温的变化将引起LED光输出、发光波长及正向电压的变化。 LED的最高结温与所使用的材料及封装结构有密切关系。热的损害 当LED的结温升高时，材料的禁带宽度将减少，导致LED的发光波长变长，颜色红移。一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。 在室温下，结温每升高1，LED的发光强度会相应地减少1左右。 结温上升的原因 a、元件不良的电极结构b、PN结的注入效率不 完美c、出光效

18、率的限制d、LED元件的热散失能力。降低LED结温的途径 a、减少LED本身的热阻b、控制额定输入功率 c、减少LED与二次散热机 构安装介面之间的热阻d、良好的二次散热机构e、降低环境温度高效率高效率：发光效率高，一个两瓦的LED灯相当于一个15瓦的普通白炽灯灯泡的照明效果寿命长寿命长：LED灯最长可达100000小时；LED半衰减期可达50000小时以上低耗电低耗电：比同光效的白炽灯最多可节省百分之七十低故障低故障：LED是半导体元件，与白炽灯和电子节能灯相比，没有真空器件和高压触发电路等敏感部件，故障极低，可以免维修绿色、环保绿色、环保：单色性好，LED光谱集中，没有多余红外、紫外等光谱

19、，热量、辐射很少，对被照物产生影响少。而且不含汞有害物质，废弃物可回收，没有污染方向性强方向性强：平面发光，方向性强。它与点光源白炽灯不同，视角度180，设计时一定要注意和利用LED光源有不同的视角度和不能大于180的特点快响应快响应：响应时间短，只有60ns，启动十分迅速；白炽灯是毫秒数量级低电压低电压：驱动电压低，工作电压为直流，安全小体积小体积：体积小、重量轻。利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具；背光源产品多色彩多色彩：LED色彩鲜艳丰富。不同的半导体材料，不同颜色的光。颜色饱和度达到130%全彩色不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果控

20、制方便控制方便:只要调整电流，就可以随意调光，使灯光更加清晰柔和让人感觉更加舒服按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分 ：红色、黄色、橙色、绿色、蓝光红色、黄色、橙色、绿色、蓝光等，有的发等，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管成还可分有不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管成还可分有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。按发光管出光面特征分：按发光管出光面特征分：圆灯、方灯、矩形、面发光管、

21、侧向管、圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及及20mm等。国外通常把等。国外通常把3mm的发光二极管记作的发光二极管记作T-1；把；把5mm的记作的记作T-1（3/4）；把）；把4.4mm的记作的记作T-1（1/4）。由）。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。一般为尖头环）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为氧封装，

22、或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性。（或更小，具有很高的指向性。（2）标准型。其半值角为）标准型。其半值角为2045。（3）散射型。半值角为）散射型。半值角为4590或更大，散射剂的量较大。或更大，散射剂的量较大。 按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分 ： 全环氧包封全环氧包封、金属底座环氧封装金属底座环氧封装、陶瓷底陶瓷底座环氧封装座环氧封装及及玻璃封装玻璃封装等结构。等结构。 按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分 ：普通亮度的普通亮度的LED（发光强度（发光强度10mcd）；）；超高亮度的超高亮度的LED（发光强度（发光强度100mcd）；把发光强度在）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几的工作电流在十几mA至几十至几十mA，而低电流而低电流LED的工作电流在的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。以下（亮度与普通发光管相同）。按工作功率分：按工作功率分：小功率小功率（0.06W）、）、功率型功率型（0.06W1W）、）、大功大功率率（1W）