LED原理演进和发展

LED的原理、演进和发展LED的原理1920年，法国科学家O.W.LOSSOW在研究SIC检波器时，首次观察到了半导体发光的现象。而第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（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。LED发光二极管是由III-IV族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，起核心是PN结。因此它具有一般P-N结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带与介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数µm以内产生。Iforward(电子)电压fvisible(光子)正极负极LED的原理1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流Ifm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）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。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。LED的原理（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ的光强最大，该波长为峰值波长。LED的原理（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上的辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。（3）光谱半宽度Δλ: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.LED的原理（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。LED的原理（5）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0.6·IFm以下。（6）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。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3.5V。在外界温度升高时，VF将下降。LED的原理（7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下。LED的原理LED的演进和发展最早应用半导体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（λ=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（λ=555nm），黄光（λ=590nm）和橙光（λ=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年后，GaAlInP做成的LED在红、橙区（λ=615nm）的光效达到100流明/瓦，而GaInN制成的LED在绿色区域（λ=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。

传统5mmLED的芯片由于LED本身的折射率大于外部空气或环氧树脂的折射率，LED所产生的光线大部分被半导体与外部的界面全反射回到半导体的内部，全反射的光线被活性层本身、电极与基板所吸收。因此外部的LED外部的发光效率远低于内部量子效率。LUMILEDS的透明基板粘贴技术（waferbonding)在LED长晶之后，先在高温下施压将透明的基板粘贴，再将GaAs除去，可提高2倍的光线取出率1991年1994年LED的演进和发展1998年2001年在waferbonding的基础上增加LED芯片的面积，达到增加发光效率的问题传统LED形状主要是四方型，四个截面互相平行让内部光只能全反射，而无法出来，造成发光效率不佳。LUMILEDS所发展的TIP(truncated-inverted-pyramid)型LED，四个截面不是互相平行的，光就很有效的被引出来，外部的量子效率增加55%。LED的演进和发展光电极金属反射体金属表面散布层传统5mmLED芯片结构LED的演进和发展由于传统的5mmLED的半导体材料都长在不导电的二氧化硅基板上，因而P、N型电极必须制作在同一面，如此一来，电极垫（bondingpad）会遮住约1/4的光，对发光效率产生不利的影响。静电保护装置电极硅片光GaN银色反光器二氧化硅FLIP-CHIP芯片结构LED的演进和发展覆晶式（倒装焊）的封装方法一来可以避开电极垫遮光的效应，二来可将往下的光线借由反射镜的帮助将光引导向上，可增加1.6倍的发光效果。同时这种封装结构可较大的改善二氧化硅基板散热不佳的问题；除此之外，底座的硅片可导电，因此也解决了防静电的问题。Luxeon1WLED封装结构传统5mmLED封装结构LED的演进和发展年份199819992000200120022003汽车用101318233141电脑用131621283749民用192432425573工业用6811141824军事/天文用679121622通讯用131722303951其他3456811总计7088118156204270白光LED市场概况

单位：百万美元LED的演进和发展单位：百万美元LED的演进和发展2003年6月17日，国家半导体照明工程协调领导小组以视频会议形式，召开了第一次会议，标志着科技部会同有关部门共同组织实施的“国家半导体照明工程”正式启动。科技部高新司李健司长在会议报告中指出：“与人类生活息息相关的照明产业正在发生着重大变革，半导体照明灯正在逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在20%以上。发光二极管(LED)具有节能、长寿命、免维护等优点，美、日、欧及我国台湾省均推出了半导体照明计划。中国拥有巨大的照明市场需求，是世界第一大照明电器生产国，世界第二大照明器具出口国，在半导体LED关键技术上，与国外差距不是很大，因此，发展半导体照明工程是非常重要而迫切的。”LED的演进和发展谈起国家半导体照明工程，李健介绍说，半导体照明工程实施总体思路是坚持以政府引导、企业为主体，市场化运作的原则，政府制定政策，营造良好的发展环境，发挥各省市地方和企业的积极性，产学研结合联合攻关，同时注意产业链、芯片