LED發(fā)光原理及牲

1、第二第二章章 LED的發(fā)光的發(fā)光原理原理 及特牲及特牲 LED的發(fā)光原理的發(fā)光原理 LED的光、色、電特性的光、色、電特性 LED的種類的種類 LED的特點的特點 白光白光LED的實現(xiàn)的實現(xiàn) LED是“l(fā)ight emitting diode”的英文縮寫。 中文名:發(fā)光二極管。 LED是一種將電能轉換為光能的固體電致發(fā)光(EL) 半導體器件。 LED實質性核心結構是由元素譜中的-族或-族化合物材料構成的p-n結。物體的物體的發(fā)光方式發(fā)光方式冷光熱光：又叫熱輻射，是指物質在高溫下發(fā)：又叫熱輻射，是指物質在高溫下發(fā)出的光。出的光。：某種能源在較低溫度時所發(fā)：某種能源在較低溫度時所發(fā)出的光。發(fā)冷光時

2、，某個原出的光。發(fā)冷光時，某個原子的一個電子受外力作用從子的一個電子受外力作用從基態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)。由基態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)。由于這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，該于這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，該電子通常以光的形式將能量電子通常以光的形式將能量釋放出來，回到基態(tài)。釋放出來，回到基態(tài)。白熾燈：當鎢絲在真白熾燈：當鎢絲在真空或是惰性氣體中加空或是惰性氣體中加熱至很高的溫度，就熱至很高的溫度，就會發(fā)出白光。會發(fā)出白光。生物發(fā)光：螢火蟲生物發(fā)光：螢火蟲化學發(fā)光：熒光粉化學發(fā)光：熒光粉陰極射線發(fā)光：熒光燈、陰極射線發(fā)光：熒光燈、 金鹵燈金鹵燈場致發(fā)光：無極燈場致發(fā)光：無極燈電致發(fā)光：電致發(fā)光：LEDLED 電致發(fā)光原理：電

3、場的作用激發(fā)電子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，當這些電子從高能態(tài)回到低能態(tài)的時候，根據(jù)能量守恒原理，多余的能量將以光的形式釋放出來。 LED發(fā)光原理：電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光子的形式釋放。LED發(fā)光原理圖1。電子遷移率比空穴大得多。2。N區(qū)的電子注入P區(qū)速度小，躍遷到價帶與注入和空穴復合，發(fā)射出由N型半導體能量所有決定的光。LED大都采用直接躍遷材料：大都采用直接躍遷材料：直接帶隙半導體直接帶隙半導體直接帶隙半導體材料就是導帶最小值（導帶底）和滿帶最大值在直接帶隙半導體材料就是導帶最小值（導帶底）和滿帶最大值在k空空間中同一位置。電子要躍遷到導帶上產(chǎn)生導電的電子和空穴（形成半滿間中

4、同一位置。電子要躍遷到導帶上產(chǎn)生導電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。能帶）只需要吸收能量。 直接帶隙半導體（直接帶隙半導體（Direct gap semiconductor）的例子：）的例子：GaAs、InP半導體。相反，半導體。相反，Si、Ge是間接帶隙半導體。是間接帶隙半導體。 直接帶隙半導體的重要性質：當價帶電子往導帶躍遷時，電子波矢不直接帶隙半導體的重要性質：當價帶電子往導帶躍遷時，電子波矢不變，在能帶圖上即是豎直地躍遷，這就意味著電子在躍遷過程中，動量變，在能帶圖上即是豎直地躍遷，這就意味著電子在躍遷過程中，動量可保持不變可保持不變滿足動量守恒定律。相反，如果導帶電子下落

5、到價帶滿足動量守恒定律。相反，如果導帶電子下落到價帶（即電子與空穴復合）時，也可以保持動量不變（即電子與空穴復合）時，也可以保持動量不變直接復合，即電子直接復合，即電子與空穴只要一相遇就會發(fā)生復合（不需要聲子來接受或提供動量）。因與空穴只要一相遇就會發(fā)生復合（不需要聲子來接受或提供動量）。因此，直接帶隙半導體中載流子的壽命必將很短；同時，這種直接復合可此，直接帶隙半導體中載流子的壽命必將很短；同時，這種直接復合可以把能量幾乎全部以光的形式放出（因為沒有聲子參與，故也沒有把能以把能量幾乎全部以光的形式放出（因為沒有聲子參與，故也沒有把能量交給晶體原子）量交給晶體原子）發(fā)光效率高發(fā)光效率高（這也就

6、是為什么發(fā)光器件多半采用（這也就是為什么發(fā)光器件多半采用直接帶隙半導體來制作的根本原因）。直接帶隙半導體來制作的根本原因）。 LED的輸出光譜決定其發(fā)光顏色和光輻射純度，也反映出半導體的特的輸出光譜決定其發(fā)光顏色和光輻射純度，也反映出半導體的特性。性。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙材料GaAsGaAsSiSi直接帶隙材料中，電子與空穴復合時，其發(fā)光躍遷（Radiative Transition）有以下可能性：導帶價帶（）帶間復合導帶價帶（）自由激子相互抵消（）在能帶勢能波動區(qū)，局部束縛激子的復合圖（）和（）是一般紅光產(chǎn)生光的原理，而圖（）是藍光產(chǎn)生光的原理 LED自發(fā)性的發(fā)光是由于電子與空穴的

7、復合而產(chǎn)生的。 當LED兩端加上正向電壓，電流從LED陽極流向陰極時，半導體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光。E E光光子子各種顏色光的波長 光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度g有關，即 1240/Eg（mm） 電子由導帶向價帶躍遷時以光的形式釋放能量，大小為禁帶寬度Eg。 Eg越大，所發(fā)出的光子波長就越短，顏色就會藍移。反之， Eg越小，所發(fā)出的光子波長就越長，顏色就會紅移。 若要產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導體材料的Eg應該在1.593.26 eV之間。 在此能量范圍之內(nèi)，帶隙為直接帶

8、的-族或-族半導體材料只有GaN、 GaP等少數(shù)材料，也可以利用-族或-族二元化合物組成新的三元或四元-族或-族固溶體，通過改變固溶體的組分來改變禁帶寬度與帶隙類型。 光的顏色與芯片的材料有關系。 材料不一樣，電子和空穴復合的能量不一樣，發(fā)出的光也不一樣。 紅、黃光芯片的主要材料：AlGaInP、 GaAlAs 藍、綠光芯片的主要材料：GaN、 InGaN窗口層窗口層P-P-限制層限制層N - 限 制限 制層層活性層活性層布拉格反布拉格反射層射層襯底襯底 LED是利用化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的特性： （1）電學特性 （2）光學特性 （3）熱學特性 電電學學特特性性I

9、-V特性響應時間允許功耗LED的伏-安（I-V）特性（1） LED的伏-安（I-V）特性是流過芯片PN結電流隨施加到PN結兩端上電壓變化的特性，它是衡量PN結性能的主要參數(shù)，是PN結制作優(yōu)劣的重要標志。（2）LED具有單向導電性和非線性特性。0IF反向死區(qū)VB死區(qū)電壓正向工作區(qū)擊穿區(qū)正向電流對LED較為重要的電學參數(shù) 開啟電壓UON正向電流IF 正向電壓VF 反向電壓VR BCE開啟電壓：電壓在開啟點以前幾乎沒有電流，電壓一超過開啟點，很快就顯出歐姆導通特性，電流隨電壓增加迅速增大，開始發(fā)光。開啟點電壓因半導體材料的不同而異。GaAs是1.0V，GaAs1-xPx，Ga1-xAlxAs大致是1

10、.5V（實際值因x值的不同而有些差異），GaP（紅色）是1.8V，GaP（綠色）是2.0V，GaN 為2.5V 。正向工作電流IF：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應根據(jù)需要選擇IF在0.6IFm以下。正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。小功率彩色LED一般是在IF=20mA時測得的，正向工作電壓VF在1.52.8V。功率級LED一般在IF=350mA時測得的，正向工作電壓VF在24V。在外界溫度升高時，VF將下降。最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。反向擊穿電壓也因材料而異，一般在-2V以上即可。

11、反向漏電：當加反向電壓時，外加電場與內(nèi)建勢壘電場方向相同，便阻止了多數(shù)載流子的擴散運動，所以只有很小的反向電流流過管子。但是，當反向電壓加大到一定程度時，結在內(nèi)外電場的作用下，把晶格中的電子強拉出來，參與導電，因而此時反向電流突然增大，出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。正向的發(fā)光管反向漏電流IR10A以下反向漏電流IR（V= -5V）時，GaP 為0，GaN 為10uA。反向電流越小，說明LED的單向導電性能越好。VB3.0v3.0v350mA350mAAlGaInP LEDAlGaInP LED-100mA-100mA-20v-20v3.4v3.4v350mA350mAInGaN LEDInGaN LED-

12、100mA-100mA-7v-7vLED的電容一般包括PN結結電容和內(nèi)引線分布電容等在內(nèi)的總電容,PN結電容占主要地位。鑒于LED 的芯片有99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，及封裝結構的不同，電容量也不同，有的遠小于1PF，有的則達100PF以上。C-V 特性呈二次函數(shù)關系。由1MHZ 交流信號用C-V 特性測試儀測得。 LED C-V 特性CV特性先講概念，然后再將為什么要進行CV特性測試，CV特性反映LED的那些特性等響應時間 LED響應時間是指：通一正向電流時開始發(fā)光和熄滅所延遲時間，標志LED反

13、應速度。 響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。 LED 的點亮時間上升時間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。 LED 熄滅時間下降時間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。 不同材料制得的LED響應時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應時間小于10-9S。因此它們可用在10100MHZ 的高頻系統(tǒng)中。 允許功耗允許功耗P 當流過LED的電流為IF、管壓降為UF ，那么，LED的實際功率消耗P為： P=UFIF LED工作時，外加偏壓、偏流一部分促使載流子復合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊幔?/p>

14、使結溫升高。若結溫大于外部環(huán)境溫度時，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量。為保證LED安全工作，應該保證實際功率在最大允許功耗范圍內(nèi)。光光學學特特性性空間分布光譜分布光學參數(shù)LED發(fā)光強度的空間分布發(fā)光強度的空間分布 發(fā)光強度的空間分布又叫配光曲線。發(fā)光強度的空間分布又叫配光曲線。 空間分布不均勻空間分布不均勻 LED輻射的空間特性取決于封裝半導體芯片輻射的空間特性取決于封裝半導體芯片結構及封裝形式。結構及封裝形式。 封裝好的封裝好的LED內(nèi)可能帶有內(nèi)部反射杯、透鏡內(nèi)可能帶有內(nèi)部反射杯、透鏡以及一些散射和濾色材料。以及一些散射和濾色材料。發(fā)光面和角分布發(fā)光面和角分布光譜特性 LED光輻射光譜分

15、布有其獨特的一面。它不是單色光（如激光），也不是寬光譜輻射（如白熾燈），而是介于兩者之間：有幾十納米的帶寬、峰值波長位于可見光或近紅外區(qū)域。 LED的波長分布有的不對稱，有的則有很好的對稱性，具體取決于LED所使用的材料種類及其結構等因素。 改變發(fā)光層的電致發(fā)光層結構及合金組分的比例，都會引起譜線的峰值波長和半寬度的變化。 LED光譜特性表征其單色性的優(yōu)劣和其主要顏色是否純正。 YAG熒光粉 LED的光學參數(shù)的光學參數(shù) 光譜半寬度光譜半寬度 峰值波長峰值波長 中心波長中心波長光譜分布和峰值波長：有的發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖所示。該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長P的光譜能量（光強

16、）最大，該波長為峰值波長。只有單色光有峰值波長，不同顏色的LED峰值波長是不同的，紅光LED的峰值波長一般為690nm左右。藍光LED的峰值波長一般為470nm左右。光譜半寬度:它表示發(fā)光管的光譜純度。是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔。中心波長入是指A、B的中點處對應的波長。熱學特性熱學特性 當電流流過LED時，其PN結的溫度（簡稱結溫）將升高，嚴格意義上說，就把PN結區(qū)的溫度定義為LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。 結溫的變化將引起LED光輸出、發(fā)光波長及正向電壓的變化。 LED的最高結溫與所使用的材料及封裝結構有密切關系。熱

17、的損害 當LED的結溫升高時，材料的禁帶寬度將減少，導致LED的發(fā)光波長變長，顏色紅移。一般情況下，LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。 在室溫下，結溫每升高1，LED的發(fā)光強度會相應地減少1左右。 結溫上升的原因 a、元件不良的電極結構b、PN結的注入效率不 完美c、出光效率的限制d、LED元件的熱散失能力。降低LED結溫的途徑 a、減少LED本身的熱阻b、控制額定輸入功率 c、減少LED與二次散熱機 構安裝介面之間的熱阻d、良好的二次散熱機構e、降低環(huán)境溫度高效率高效率：發(fā)光效率高，一個兩瓦的LED燈相當于一個15瓦的普通白熾燈燈泡的照明效果壽

18、命長壽命長：LED燈最長可達100000小時；LED半衰減期可達50000小時以上低耗電低耗電：比同光效的白熾燈最多可節(jié)省百分之七十低故障低故障：LED是半導體元件，與白熾燈和電子節(jié)能燈相比，沒有真空器件和高壓觸發(fā)電路等敏感部件，故障極低，可以免維修綠色、環(huán)保綠色、環(huán)保：單色性好，LED光譜集中，沒有多余紅外、紫外等光譜，熱量、輻射很少，對被照物產(chǎn)生影響少。而且不含汞有害物質，廢棄物可回收，沒有污染方向性強方向性強：平面發(fā)光，方向性強。它與點光源白熾燈不同，視角度180，設計時一定要注意和利用LED光源有不同的視角度和不能大于180的特點快響應快響應：響應時間短，只有60ns，啟動十分迅速；白

19、熾燈是毫秒數(shù)量級低電壓低電壓：驅動電壓低，工作電壓為直流，安全小體積小體積：體積小、重量輕。利用其特點可設計又薄、又輕、又緊湊的各種式樣的燈具；背光源產(chǎn)品多色彩多色彩：LED色彩鮮艷豐富。不同的半導體材料，不同顏色的光。顏色飽和度達到130%全彩色不同光色的組合變化多端，利用時序控制電路，更能達到豐富多彩的動態(tài)變化效果控制方便控制方便:只要調(diào)整電流，就可以隨意調(diào)光，使燈光更加清晰柔和讓人感覺更加舒服按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分 ：紅色、黃色、橙色、綠色、藍光紅色、黃色、橙色、綠色、藍光等，有的發(fā)等，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或光二極管中包含二種或三

20、種顏色的芯片。根據(jù)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)光二極管成還可分有不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管成還可分有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。按發(fā)光管出光面特征分：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、圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及及20mm等。國外通常把等。國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作的發(fā)光二極管記作T-1；把；把5mm的記作的記作T-1（

21、3/4）；把）；把4.4mm的記作的記作T-1（1/4）。由）。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為520或更小，具有很高的指向性。（或更小，具有很高的指向性。（2）標準型。其半值角為）標準型。其半值角為2045。（3）散射型。半值角為）散射型。半值角為4590或更大，散射劑的量較大?；蚋?，散射劑的量較大。 按發(fā)光二極管的結構分按

22、發(fā)光二極管的結構分 ： 全環(huán)氧包封全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底陶瓷底座環(huán)氧封裝座環(huán)氧封裝及及玻璃封裝玻璃封裝等結構。等結構。 按發(fā)光強度和工作電流分按發(fā)光強度和工作電流分 ：普通亮度的普通亮度的LED（發(fā)光強度（發(fā)光強度10mcd）；）；超高亮度的超高亮度的LED（發(fā)光強度（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在）；把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾的工作電流在十幾mA至幾十至幾十mA，而低電流而低電流LED的工作電流在的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。以下（亮度與普通發(fā)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）。）。用不同顏色及數(shù)目LED