LED發(fā)光二極管深入版電子教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED發(fā)光二極管深入版-發(fā)光二極管LED一、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識(shí)，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管是一種將電流順向通到半導(dǎo)體p-n結(jié)處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在

2、p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線。1.燭光、國(guó)際燭光、坎德拉（candela）的定義在每平方米101325牛頓的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，面積等于1/60平方厘米的絕對(duì)“黑體”（即能夠吸收全部外來(lái)光線而毫無(wú)反射的理想物體），在純鉑（Pt）凝

3、固溫度（約2042K獲1769）時(shí)，沿垂直方向的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉。并且，燭光、國(guó)際燭光、坎德拉三個(gè)概念是有區(qū)別的，不宜等同。從數(shù)量上看，60坎德拉等于58.8國(guó)際燭光，亥夫納燈的1燭光等于0.885國(guó)際燭光或0.919坎德拉。二、LED光源的特點(diǎn)1.電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。2.效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%3.適用性：很小，每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境4.穩(wěn)定性：10萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的50%5.響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的

4、響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)6.對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞7.顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬S色，最后為綠色。8.價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上300500只二極管構(gòu)成。三、單色光LED的應(yīng)用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來(lái)各種光色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國(guó)本來(lái)是采

5、用長(zhǎng)壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國(guó)開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），可以及早讓尾隨車輛的司機(jī)知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。四、白光LED的開發(fā)1、概述GaN材料具有許多硅基半導(dǎo)體材料所不具備的優(yōu)異性能，包括能夠滿足大功率、高溫高

6、頻和高速半導(dǎo)體器件的工作要求，其中最重要的物理特點(diǎn)是具有更寬的禁帶，可以發(fā)射波長(zhǎng)比紅光更短的藍(lán)光。與紅色激光和綠色激光不同，藍(lán)色激光存在難以在常溫下發(fā)出高功率光的缺陷。氮化鎵基藍(lán)光LED的出現(xiàn)使戶外全色顯示和半導(dǎo)體照明成為可能。具有全固體、冷光源、壽命長(zhǎng)、體積小、光效高、響應(yīng)速度快、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于大屏幕全彩顯示、汽車燈具、多媒體顯示、海洋光通訊等領(lǐng)域。對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（p=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光

7、激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，200-500nm。LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對(duì)于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得不同色溫下(27008000K)的白光。表一列出了目前白色LED的種類及其發(fā)光原理。從表中也可以看出某些種類的白LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍(lán)粉和石榴石結(jié)構(gòu)的黃色粉，在未來(lái)較被看好的是三波長(zhǎng)光，即以無(wú)機(jī)紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光。表1白色LE

8、D的種類和原理芯片數(shù)激發(fā)源發(fā)光材料發(fā)光原理1藍(lán)色LEDInGaN/YAGInGaN的藍(lán)光與YAG的黃光混合成白光藍(lán)色LEDInGaN/熒光粉InGaN的藍(lán)光激發(fā)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光藍(lán)色LEDZnSe由薄膜層發(fā)出的藍(lán)光和在基板上激發(fā)出的黃光混色成白光紫外LEDInGaN/熒光粉InGaN的紫外激發(fā)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光2藍(lán)色LED黃綠LEDInGaN、GaP將具有補(bǔ)色關(guān)系的兩種芯片封裝在一起，構(gòu)成白色LED3藍(lán)色LED綠色LED紅色LEDInGaNAlInGaP將發(fā)三原色的三種小片封裝在一起，構(gòu)成白色LED多個(gè)多種光色的LEDInGaN、GaPAlInGaP將遍布可見光區(qū)的多種光芯片封

9、裝在一起，構(gòu)成白色LED2、實(shí)驗(yàn)采用熒光粉轉(zhuǎn)換方法制備的白光LED，以GaN基藍(lán)色LED的藍(lán)色發(fā)光(470nm)為基礎(chǔ)光源，用藍(lán)色LED的發(fā)光激發(fā)熒光粉。藍(lán)色發(fā)光二極管發(fā)出的藍(lán)光部分透過熒光粉發(fā)射出來(lái)，部分激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出峰值為570nm的黃綠色光,透出的藍(lán)色發(fā)光與熒光粉發(fā)出的黃綠色光組成白光(見圖1)，制備的白光發(fā)光二極管的發(fā)射光譜示于圖2。測(cè)試結(jié)果：在15mA電流作用下，色坐標(biāo)為：x=0.129，y=0.133，法向光強(qiáng)為2890mcd。3、結(jié)果與分析采用的熒光粉為稀土Ce3+激活的鋁酸鹽Y3Al5O12Ce3+(YAG)，激發(fā)光譜如圖3(a)所示，其激發(fā)峰在470nm，正好與藍(lán)色

10、發(fā)光二極管的發(fā)射峰相匹配，這樣可以確保熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率。熒光粉的發(fā)射光譜如圖3(b)所示，發(fā)射光譜是一個(gè)峰值在570nm的寬帶發(fā)射譜。從色坐標(biāo)圖中可以看出570nm的發(fā)射光與470nm藍(lán)色發(fā)光二極管的發(fā)射光可以匹配合成白光，但所合成的白光的色坐標(biāo)x值偏低,實(shí)驗(yàn)測(cè)得此白光LED的色坐標(biāo)x=0.129，y=0.133，紅光部分偏低。要想使白光LED的色坐標(biāo)接近x=0.133，y=0.133有兩種途徑：一是將熒光粉的發(fā)射光譜移向長(zhǎng)波方向，使其發(fā)射光譜的峰值移到575nm；二是在熒光粉中加入適量的紅色熒光粉，彌補(bǔ)紅光不足的弱點(diǎn)。研制不同色溫的白光LED也需要研制激發(fā)峰值在460470nm的紅色熒光粉

11、。為了彌補(bǔ)白光LED中紅光偏弱和研制不同色溫的白光LED，研制了稀土激活的硫化物紅色熒光粉(CaSEu2+)，作為一種輔助熒光粉，將這種粉與黃綠色熒光粉以適當(dāng)比例混合可以彌補(bǔ)紅光不足的弱點(diǎn)。CaSEu2+紅色熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜示于圖5。從激發(fā)光譜(圖5(a)中可以看出，這種熒光粉從460500nm的激發(fā)都很強(qiáng)，因此將這種熒光粉用于白光LED很適宜于白光的高效率光轉(zhuǎn)換。從發(fā)射光譜(圖5(b)可以看出，發(fā)光光譜峰值在650nm附近，是純正的紅光。4、不同色溫的白光LED研究色溫也是照明領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，這里研究制備了不同色溫的白光LED。通過調(diào)節(jié)熒光粉涂層的厚度和紅、黃熒光粉配比，可以有

12、效地改變白光LED的色溫，制備出色溫從27008000K的白光。LED2700K色溫對(duì)應(yīng)于白熾燈的色溫，不同色溫白光LED的發(fā)射光譜示于圖6。隨著熒光粉涂層厚度的增加藍(lán)色發(fā)光峰下降,熒光粉發(fā)出的黃綠色光增加，發(fā)光向著低色溫方向變化。同時(shí)為了進(jìn)一步降低白光LED的色溫，適量加入紅粉，使得熒光粉的發(fā)光峰值向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。色溫為8081、6968、5914、5053、4178K的白光LED用的熒光粉主要是黃綠色熒光粉，其熒光粉的發(fā)射峰值在575nm。要想進(jìn)一步降低色溫，需要在熒光粉中少量配上紅色熒光粉，采用黃綠色熒光粉與紅色熒光粉以適當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行配比。利用配成的熒光粉制備出色溫為2739、3039K

13、的低色溫白光LED，這兩種低色溫的白光LED用的熒光粉的發(fā)射峰值波長(zhǎng)分別為629nm和597nm，色溫為2739K的白光LED與白熾燈的色溫非常接近。表2不同色溫的白光LED的色坐標(biāo)和顯色指數(shù)Table2ColorcoordinatesandcolorindexofwhiteLEDwithdifferentcolortemperature.樣品序號(hào)色溫(K)色坐標(biāo)顯色指數(shù)xy1#27390.14830.145778183#30390.14300.142983187#41780.13760.138784149#50530.13440.1356831911#59140.13250.13328115

14、14#69680.13080.1310811415#80100.12970.12987918表2給出了不同色溫白光LED對(duì)應(yīng)的色坐標(biāo)和顯色指數(shù)。從表中可以看出隨著色溫的變化。色坐標(biāo)位置也發(fā)生明顯的變化，色溫低于3700K時(shí)，色坐標(biāo)x，y均大于0.14，色溫高于8000K時(shí)，色坐標(biāo)x,y均小于0.13，色坐標(biāo)x=0.133，y=0.133對(duì)應(yīng)的色溫大約在5500K。采用LED光源進(jìn)行照明，首先取代耗電的白熾燈，然后逐步向整個(gè)照明市場(chǎng)進(jìn)軍，將會(huì)節(jié)約大量的電能。近期，白色LED已達(dá)到單顆用電超過1瓦，光輸出25流明，也增大了它的實(shí)用性。表3和表4列出了白色LED的效能進(jìn)展。表3單顆白LED的效能進(jìn)展

15、年份發(fā)光效能（流明/瓦）備注1998519915相若白熾燈200125相若鹵鎢燈200550估計(jì)表4長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)單顆白色LED輸入功率10瓦發(fā)光效能100流明/瓦輸出光能1000流明/瓦作為熒光體激勵(lì)光源的多量子阱（MQW）LED的外部量子效率已提高了20%，其溫和色調(diào)優(yōu)異。受YAG熒光體壽命影響的白色LED的壽命已超過數(shù)萬(wàn)小時(shí)。五、業(yè)界概況在LED業(yè)者中，日亞化學(xué)是最早運(yùn)用上述技術(shù)工藝研發(fā)出不同波長(zhǎng)的高亮度LED，以及藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光（LaserDiode；LD），是業(yè)界握有藍(lán)光LED專利權(quán)的重量級(jí)業(yè)者。在日亞化學(xué)取得蘭色LED生產(chǎn)及電極構(gòu)造等眾多基本專利后，堅(jiān)持不對(duì)外提供授權(quán)，僅采自行生產(chǎn)

16、策略，意圖獨(dú)占市場(chǎng)，使得藍(lán)光LED價(jià)格高昂。但其他已具備生產(chǎn)能力的業(yè)者相當(dāng)不以為然，部分日系LED業(yè)者認(rèn)為，日亞化工的策略，將使日本在藍(lán)光及白光LED競(jìng)爭(zhēng)中，逐步被歐美及其他國(guó)家的LED業(yè)者搶得先機(jī)，屆時(shí)將對(duì)整體日本LED產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重傷害。因此許多業(yè)者便千方百計(jì)進(jìn)行藍(lán)光LED的研發(fā)生產(chǎn)。目前除日亞化學(xué)和住友電工外，還有豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球3大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了該產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，對(duì)促進(jìn)白光LED產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化方面起到了積極的促進(jìn)作用。六、LED應(yīng)用前景及趨勢(shì)目前，照明消耗約占整個(gè)電力消耗的2

17、0%，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達(dá)到了一定的成效。但是，距離綠色照明的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢(shì)在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國(guó)、日本等國(guó)家和臺(tái)灣地區(qū)對(duì)LED照明效益進(jìn)行了預(yù)測(cè)，美國(guó)55%白熾燈及55%的日光燈被LED取代，每年節(jié)省350億美元電費(fèi)，每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%白熾燈換成LED，可減少12座核電廠發(fā)電量，每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。臺(tái)灣地區(qū)25%白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代，每年節(jié)省110億度電。日本早在1998年就編制

18、21世紀(jì)計(jì)劃，針對(duì)新世紀(jì)照明用LED光源進(jìn)行實(shí)用性研究。近年來(lái)，日本日亞化工、豐田合成、SONY、佳友電工等都已有LED照明產(chǎn)品問世。世界著名的照明公司如飛利浦、歐司朗、GE等也投入大量的人力物力進(jìn)行LED照明產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)。美國(guó)GE公司和EMCORE公司合作成立新公司，專門開發(fā)白光LED，以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈。德國(guó)歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)LED照明系統(tǒng)。臺(tái)灣目前的LED產(chǎn)量?jī)H次于日本列在美國(guó)之前，從1998年開始投入6億臺(tái)幣進(jìn)行相關(guān)開發(fā)工作。LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應(yīng)用市場(chǎng)將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來(lái)10年成為最被看好的市場(chǎng)以及最大的市場(chǎng)將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大