固體照明概述

1、第一章 固體照明概述課程內容n1.1 照明技術的變遷n1.2 半導體發(fā)光二極管的基本原理n1.3 照明技術基本參數n1.4 高亮度發(fā)光二極管的應用1.1 照明技術的變遷一、照明發(fā)展的歷程1白熾燈（Incandescent Lamp）,1976年,愛迪生.2熒光燈（Fluorescent Lamp）,1938年.3高壓氣體放電燈（High Intensity Discharge） a.水銀燈（Mercury Lamp） b.金屬鹵素燈（Metal Halide Lamp） c.鈉燈（Sodium Lamp）4發(fā)光二極管（light emitting diode）1.1 照明技術的變遷二、幾種主要

2、的傳統(tǒng)燈具一白熾燈發(fā)光原理：利用鎢絲（熔點：3683K）作為燈絲，發(fā)光發(fā) 光，以紅外線為主。產品特征：（1）演色性（顯色性）好（2）鎢絲需要惰性氣體保護（3）發(fā)光效率8 lm/W,8%轉化為可見光（4）使用壽命為750-1000hrs二、幾種主要的傳統(tǒng)燈具二鎢絲鹵素燈發(fā)光原理：利用鎢與鹵族元素的可逆化學反應，減少鎢 絲的蒸發(fā)率，溫度可達3450K。產品特征：（1）演色性（顯色性）好（2）鎢與鹵族元素的可逆化學反應（3）使用壽命為普通白熾燈的2倍左右二、幾種主要的傳統(tǒng)燈具三日光燈（熒光燈）發(fā)光原理：等離子氣體使汞產生紫外線（UV），UV激發(fā) 稀土熒光粉形成白光。產品特征：（1）演色性不足，可通過

3、稀土熒光粉調節(jié)（2）汞對環(huán)境有害（歐洲等已經禁止白熾燈和熒光燈）（3）產品有噪聲，收電磁波干擾（4）使用壽命為24000hrs？二、幾種主要的傳統(tǒng)燈具四低壓鈉燈五高壓汞燈六高壓鈉燈七金屬鹵化物燈1.2 半導體發(fā)光二極管的 基本原理n若干知識點1、LED（發(fā)光二極管）與LD（激光）的區(qū)別2、LED一般采用3-5族，2-6族元素組成，其發(fā)光顏色與帶隙有關3、為什么硅不能發(fā)光？而氮化鎵可以發(fā)光？1.2 半導體發(fā)光二極管的 基本原理n一、基本認識 LED：Light Emitting Diode 譯為：發(fā)光二極管n定義：一種可以將電能轉化為光能的電子器件具有二極管的特性。n符號：n實物圖： 藍光藍光L

4、ED 芯片芯片+ 黃色熒光粉黃色熒光粉白光白光 LED （來源：廈門（來源：廈門通士達有限公通士達有限公司司 2008年年4月）月）二、LED的發(fā)光原理一 白光LED的實物示意圖二、LED的發(fā)光原理二 白光LED的結構示意圖二、LED的發(fā)光原理三 LED的發(fā)光原理n簡單描述 電子由高能級躍遷到低能級，產生光子。n一般描述 在施加正向電壓的情況下，PN結N區(qū)自由電子向P區(qū)運動，而P區(qū)的空穴則向N區(qū)運動，在有源層內電子由導帶躍遷到價帶與空穴復合，產生光子，即電能轉化成了光能n專業(yè)描述 在正向電壓的作用下，PN結N區(qū)的電子向正方面擴散，進入有源層，P區(qū)的空穴也向負方向擴散進入有源層。進入有源層的電子

5、和空穴由于 異質結勢壘的作用，而被封閉在有源層內，就形成了粒子數反轉分布，有源層內反轉分布的電子經躍遷與空穴復合，產生自發(fā)輻射光。二、LED的發(fā)光原理四 LED的半導體發(fā)光機理半導體的基礎知識導帶和價帶的概念LED的發(fā)光原理（PN結）n導帶：自由電子形成的能量空間。n價帶：半導體或絕緣體中，在0K時能被電子占滿的最高能帶。n禁帶：在能帶結構中能態(tài)密度為零的能量區(qū)間，常表示導帶和價帶之間的能態(tài)密度為0.其大小決定了半導體材料性質是半導體還是絕緣體。補充知識：LED發(fā)光機理示意圖光波段n光射線X射線遠紫外線近紫外線可見光線中紫外線近紅外線中紅外線遠紅外線10-3nm1nm10nm100nm280n

6、m315nm380nm780nm1000nm1.5m5m100m1mm極超短波紫外線區(qū)紅外線區(qū)短波長長波長白色光分成七色光譜稜鏡化學線(由日照產生化學線作用引起)光(人眼所見電磁波範圍)接近光性質有大熱能電波熱線(熱能也稱為熱波)380nm430nm490nm505nm515nm535nm585nm600nm630nm700nm可見光n紅橙黃綠藍靛紫，為人眼可見之光，是一般人類所能察覺光的波長，介於380780nm之間。n紫色光波以下的波長稱為紫外線，大約介於100nm380nm。n紅色光波以上的波長稱為紅外線，大約介於780nm1mm。三、白光LED產生的幾種方法芯片數 激發(fā)源 發(fā)光材料 發(fā)

7、光原理 1 藍色LED InGaN/YAG InGaN的藍光與YAG的黃光混合成白光 藍色LED InGaN/熒光粉 InGaN的藍光激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光 藍色LED ZnSe 由薄膜層發(fā)出的藍光和在基板上激發(fā)出的黃光混色成白光 紫外LED InGaN/熒光粉 InGaN的紫外激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光 2 藍色LED 黃綠LED InGaN、GaP 將具有補色關系的兩種芯片封裝在一起，構成白色LED 3 藍色LED 綠色LED 紅色LED InGaN AlInGaP 將發(fā)三原色的三種小片封裝在一起，構成白色LED 多個 多種光色的LED InGaN、GaP AlInGaP 將遍

8、布可見光區(qū)的多種光芯片封裝在一起，構成白色LED 圖 級聯(lián)型GaN基白光LED的設計結構圖 級聯(lián)型GaN基白光LED的電致發(fā)光光譜直接發(fā)白光的 技術 常用的三種產生白光的方法：常用的三種產生白光的方法：三種方法比較：三種方法比較：1、1965年，全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生 ，效率0.1lm/W,比白熾燈低100倍，售價45$/只。2、1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器 件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。 3、1971年，GaP綠色芯片LED。 用途：指示用，長壽命10萬小時，可靠。4、80年代AlGaAs技術使得LED效率達到10

9、流明/瓦， 90年代AlGaInP技術使得LED效率達到100流明/瓦。 用途：顯示，信號用。用于室外的運動信息發(fā)布以及汽車的高位剎車燈。5、1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度藍色發(fā)光二極管。 用途：由于藍光LED的出現(xiàn)，人們首次實現(xiàn)紅黃藍LED的全色顯示，從90年代中期開始，許多廣告、體育和娛樂場所開始應用LED大屏幕顯示。 6、1997年，中村修二和美國人修博特先后研制出了GaN藍色發(fā)光二極管激發(fā)黃光熒光粉得到白光LED，效率不足10lm/W。7、2000年，日亞報道了15lm/W白光LED。8、2003年，日亞報道的光效達到60lm/W， 2006年3月，其光效達到100l

10、m/W。9、2006年7月，Cree公司報道了130lm/W白光LED。 10、2006年11月，日亞報道的光效達到150lm/W，其效率已經超過節(jié)能 燈，實現(xiàn)了真正意義上的照明。11 、2007年3月，美國Cree公司光效達到157lm/W，目前LED的效率向200Lm/W前進。12、2008年12月， Cree公司報道了161lm/W白光LED。13、2009年12月， Cree公司報道了186lm/W白光LED。. 各種白光與各種白光與LED白光光效發(fā)展趨勢圖白光光效發(fā)展趨勢圖LED光源特點n電壓：LED使用低壓電源，單顆電壓在1.9-4V之間，比使用高壓電源更安全的電源。n效能：光效高

11、，目前實驗室白光最高光效已達到186 lm/w（09.12.cree大功率，量產最高效率132 lm/w ）。n抗震性：LED是固態(tài)光源，由于它的特殊性，具有其他光源產品不能比擬的抗震性。n穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的70% n響應時間：LED燈的響應時間為納秒級，是目前所有光源中響應時間最快的產品。n環(huán)保：減少水銀等有害廢棄物對環(huán)境的污染；無頻閃(直流工作)；無紅外紫外線成分。n顏色：LED的帶快相當窄，所發(fā)光顏色純，無雜色光，覆蓋整過可見光的全部波段，且可由RGB組合成任何想要可見光。四、LED的基本參數n4.1 電學參數n4.2 光學參數n4.3 熱學參數4.1電學參數n正向工作電流

12、IFn正向工作電壓VFn反向漏電流IRn反向電壓VR4.2光學參數n光通量 (lm)n發(fā)光強度I(cd)n亮度L(cd/m2)n照度E(lm/m2 ,Lx)n發(fā)光效率(lm/w)n主波長d(nm)n峰值波長p(nm)n色溫Tc(K)n色顯指數Ran半強角度1/2n光譜半高寬 4.3熱學參數n結溫n熱阻（/W）五、LED的結構特征n5.1 LED封裝結構特征n5.2 LED芯片結構特征晶片DiceR,G,B金線Au wire1.0&1.2mil銀膠Ag epoxy支架Leadframe膠水Epoxy（環(huán)氧樹脂）5.1.1 LED Lamp Structure（直插型）5.1.2 High

13、 power LED structure(大功率LED)Lumileds Packaging 大功率LED實物圖GaN-LED芯片的基本結構InGaN MQW active layerSapphire substratep-electrode (Ni/Au)p-electrode (Ni/Au)p-GaN layern-GaN layerGaN buffer layern-electrode(Ti/Al)5.2.1 LED芯片結構特征 之 雙電極藍光藍光LED芯片基本結構芯片基本結構襯底層襯底層：一般為藍寶石或SiC，目前研究最熱的是Si襯底。n n型氮化鎵層型氮化鎵層：GaN的n型摻雜比較簡

14、單，摻雜源為IV族元素Si、Ge、Se等 發(fā)光層發(fā)光層：為p型或者n型含銦的氮化鎵，或非摻雜的氮化銦鎵，可通過改變發(fā)光雜質的種類來改變禁帶寬度，從而改變發(fā)出光的波長。p p型氮化鎵層：型氮化鎵層：多數采用p型AlGaN，摻雜主要是Mg 等II族元素p p型接觸層型接觸層：一般采用p型GaN，使之與正電極材料達到良好的歐姆接觸。 透明導電層：透明導電層：為了將電流有效地分散以達到均勻發(fā)光，避免所發(fā)的光被p型金屬電極衰減。芯片基本結構:Flip-chip5.2.2 LED芯片結構特征 之 倒裝結構芯片基本結構:SiC 垂直結構5.2.3 LED芯片結構特征 之 單電極Cu Heat Sinking

15、Ag ReflectorTransparent ohmic contactP-GaNInGaN/GaN MQWN-GaNITO contact layerN-electrode pad芯片基本結構:金屬襯底、垂直結構5.2.3 LED芯片結構特征 之 單電極六、LED的產品分類n按發(fā)光顏色分：可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。n根據發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。n按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝

16、用微型管等。n圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。n從發(fā)光強度角分布圖來分有三類： （1）高指向性：半值角為520或更小。（2）標準型：其半值角為2045。（3）大角度。n按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。n按發(fā)光強度和工作電流分: 有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）； 把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。5系列舉例（圓形，子彈頭）5.0*8.7mm圓形有帽沿圓形有帽沿子彈頭LED5.0*8.7mm圓形有帽沿圓形有帽沿LED 食人魚系列LED分類數碼管(Display)大功率(Hi

17、gh Power Led)貼片(SMD)食人魚(P4)普通LED(P2)LED分類分類功率大?。盒」β?、大功率、超大功率。光波長：不可見光（紅外、紫外）、可見光。封裝形式：插件式、貼片式、多晶封裝。插件式插件式貼片式貼片式多晶封裝多晶封裝小功率小功率 1W超大功率超大功率 10W七、LED的產業(yè)鏈nLED設備，原材料：MOCVD，激光劃片機，檢測設備n上游：材料生長，結構設計； 亮度，波長，正向電壓，可靠性； 外延片n中游：芯片制備； 正向電壓，出光，可靠性； 芯片：0.3mm-1.5mmn下游：封裝； 出光效率，正向電壓，可靠性，散熱； LED lamp, SMT, high power，數

18、碼管等n應用：燈具，工程； 出光效率，散熱，美學設計，建筑，文化等； 裝飾照明，路燈，LCD背光，車燈，太陽燈，普通照明，特種照明。產業(yè)鏈產業(yè)鏈上游上游中游中游下游下游材料體系材料體系襯底等原材料襯底等原材料外延外延芯片芯片封裝封裝應用應用AlGaInP中科鎵英：GaAs廈門三安、山東華光、河北匯能、廣東福地、廣東普光、北京圣科佳佛山國星、廈門華聯(lián)、寧波升普、深圳量子、河北鑫谷、江蘇穩(wěn)潤、天津天星、江蘇奧雷、杭州創(chuàng)元、福日科光北京利亞德、西安青松、上海三思、南京洛普、深圳海洋王、深圳珈偉、廈門通士達、江蘇鴻聯(lián)南大光電：MO源南昌欣磊、上海金橋大晨、深圳奧倫德、河北立德GaN中科嘉浦、深圳淼浩：藍寶石廈門三安、上海藍光、深圳方大、大連路美、江西聯(lián)創(chuàng)、上海藍寶、北京長電、廣東福地、廣東普光南大光電：MO源北京睿源大連光明化工、大連科利德：高純氨氣八、LED應用范圍(1)Signal lamp:交通燈,汽車車燈,車內照明(2)Back Lighting: Mobile Phone, Digital Devices, TFT-LCD TV;(3)Display: Outdoor Display, LED Screens &TV ;(4)Architectural Lighting (城市夜景如公園大廈,城市雕塑