LED的基础知识

1、邓青云博士（美籍）邓教授在异质结有机太阳能电池方面取得了许多基础研究成果，他发现了有机发光二极体（OLED），并在发展OLED显示技术方面做出了巨大的贡献，得到业界广泛的承认。 LED基础知识基础知识 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的应用的应用 LED的发展和应用前景的发展和应用前景路灯路灯射灯射灯交通信号灯交通信号灯汽车雾灯汽车雾灯汽车尾灯汽车尾灯 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(E

2、L) 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。1907年，Henry Joseph Round在观测金刚砂(SiC) 电致发光的现象时，初次观察到了无机半导体的发光现象。但因为无机半导体发出的黄光太过暗淡，他很快就放弃了这方面的研究。到20世纪20年代，德国科学家O.W.LOSSOW在研究SiC检波器时，再次观察到这种现象，但当时受到材料制备和器件工艺水平的限制，没有被迅速利用。1962年，GE公司Nick Holonyak带领的一个团队成功演示出第一个红光GaAsP发光二极管，仅6年后，Monsanto(孟山都)研发的指示灯以及Hewlett-Pa

3、ckard（IBM）研发的电子显示屏就将商业化LED推向了市场。1965年仅0.1LM/W ，指示灯1968年，人们通过N掺杂工艺，使GaAsP LED的发光效率达到1lm/w,并出现了橙色光和黄色光。真正具有了商业价值。到20世纪80年代，使用AlGaAs(砷镓化铝)的第一代超亮LED诞生。产品首先是红色、然后是黄色，最后是绿色。应用领域多到20世纪90年代，日本东芝公司和美国的HP公司，先后研发成功双异质结与多量子阱结构的橙色和黄色InGaAlP(铟镓铝化磷)的组合又被用来生产超亮红色、桔色、黄色及绿色LED. 20世纪90年代中期，日本的日亚（NICHIA）公司和美国的CREE公司，分别

4、在蓝宝石和SIC衬底上成功研发了超亮蓝光GaN(氮化镓)LED，高亮度绿光、紫光及蓝光InGaN(氮化铟镓)LED随后也研发成功。 发展阶段发展阶段年份年份发展进程发展进程发光效率发光效率（lm/w）应用领域应用领域指指示示应应用用1962GaAsP红光红光LED（样品）（样品）302005InGaAlPGaAs、 InGaNSiC彩色彩色LED502007-2009功率级白光功率级白光LED100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：又叫热辐射，是指物质在高温下发出的光。温下发出的光。：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，某个原出的光

5、。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：电场的作用激发电

6、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。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，

7、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 光是一种能量的形态，是一种电磁波。 在同一介质中，能量从能源出发沿直线向四面八方传播,这种能量传递的方式通常叫做辐射。 通常可以用波长来表达人眼所能感受到的可见光的辐射能量。人眼所能见的可见光的光波只占宽阔人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁波谱家族中的很小空间。的电磁波谱家族中的很小空间。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）4704

8、20470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（nm） 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，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。

9、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众所周知红蓝绿是三原色，红色、绿色发光二极管早在上世纪中叶已经问世，但要把发光二极管用于照明，必须发明蓝色发光二极管，因为有了红、绿、蓝三原色后，才能产生照亮世界的白色光源。在在中村等人开发中村等人开发GaNGaN材料之前，蓝材料之前，蓝光光LEDLED的研究又进展甚微，所以虽然的研究又进展甚微，所以虽然LE

10、DLED发明很早，但是由于缺少蓝色色光，整发明很早，但是由于缺少蓝色色光，整个个LEDLED照明显示产业的瓶颈就卡在这里。照明显示产业的瓶颈就卡在这里。中村等人发明的蓝光中村等人发明的蓝光LEDLED，补足了光谱上最后一块缺口，让基于，补足了光谱上最后一块缺口，让基于LEDLED的白光照的白光照明和全彩色显示成为可能，为之后出现的所有明和全彩色显示成为可能，为之后出现的所有LEDLED照明灯，照明灯，LEDLED背光液晶显示背光液晶显示器，器，LEDLED全色显示点阵铺平了道路。是蓝光全色显示点阵铺平了道路。是蓝光LEDLED让让LEDLED从红绿色的小指示灯和从红绿色的小指示灯和数码管显示走

11、向真正意义上的通用光源，成为数码管显示走向真正意义上的通用光源，成为“a new light source”a new light source”， 这也是蓝色这也是蓝色LEDLED的研究特别被重视的原因。的研究特别被重视的原因。基于宽禁带半导体的蓝色基于宽禁带半导体的蓝色LEDLED发明之后，白光发明之后，白光LEDLED先后出现了两种形式。一种是结先后出现了两种形式。一种是结合了红，绿，蓝等多色合了红，绿，蓝等多色LEDLED，通过调节色光比例混合产生白光；第二种是蓝光，通过调节色光比例混合产生白光；第二种是蓝光LED+LED+黄色荧光粉，结合蓝光和荧光粉激发出的宽频段黄光产生白光黄色荧光

12、粉，结合蓝光和荧光粉激发出的宽频段黄光产生白光。前者的好处在于不仅可以发白光，还可以随心调节各种色光，常用于户外大型。前者的好处在于不仅可以发白光，还可以随心调节各种色光，常用于户外大型LEDLED全色显示屏；后者的优点是接线简单成本低，没有不同全色显示屏；后者的优点是接线简单成本低，没有不同LEDLED光衰速率不一产生光衰速率不一产生偏色的问题，常用于只需要白光的场合例如照明。偏色的问题，常用于只需要白光的场合例如照明。 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

13、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

14、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=20mA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

15、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，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-7

16、vLED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

17、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

18、最大允许功耗范围内。光光学学特特性性光谱分布光学参数光谱特性 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。 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

19、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，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

20、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

21、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，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