LED基礎知識大全集(入行科普,新員工入職培訓)

1、第 頁共16頁給文科生的LED知識大全集隨著標準化設備的導入，規(guī)?；c模塊化的產業(yè)過程，技術不再是深不可測，工藝優(yōu)化，設備優(yōu)化變成主旋律，未來，掌握了LED基本知識，活用這些知識之后，你就會了解，高深的科技理論不過就是我所推廣的簡單道理。葉國光LEDinside做LED這個行業(yè)這么久了，很多技術與術語我們都會覺得理所當然，很容易理解,但是細細想又很難系統(tǒng)性地道出個所以然，所以這次我試著來寫一篇LED的基本科普文章，希望對想了解LED的人有所幫助，或者就權當是知識的鞏固了，看到最后會發(fā)現(xiàn)，活用這些基本知識，會比想象中更簡單。發(fā)光二極管(LED：LightEmittingDiode)原理介紹發(fā)光二

2、極管的構造發(fā)光二極管(LED)都是使用化合物半導體制作，二種以上的元素鍵結形成的半導體，稱為化合物半導體。例如：砷化鎵(GaAs)屬于三五族化合物半導體(3A族的鎵與5A族的砷)、硒化鎘(CdSe)屬于二六族化合物半導體(2A族的鎘與6A族的硒)等固體材料，化合物半導體的發(fā)光效率極佳，因此我們大多利用它來制作發(fā)光組件，例如：砷化鎵(GaAs)是屬于直接能隙(Directbandgap)，所以砷化鎵晶圓所制作的組件會發(fā)光，一般都用來制作發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)等發(fā)光組件。發(fā)光二極管(LED)的構造如圖一(a)所示，直插的燈珠外觀呈橢圓形，尺寸與一顆綠豆差不多，但是真正發(fā)光的部分只

3、有圖中的芯片(chip)而已，芯片的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這么小的一個芯片就可以發(fā)出很強的光，由于發(fā)光二極管的芯片很小，所以一片2吋的砷化鎵晶圓就可以制作數(shù)萬個芯片，切割以后再封裝，形成如圖一(a)的外觀，發(fā)光二極管的制程與硅晶圓的制程相似，都是利用光刻微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長制作而成?；秩紝ЭV(金啟:片b)Trjnsparcnicj-iiidccIjaltrt-eletlitsd呎04伽iHtlileaLightEmrttlnbloda(圖一發(fā)光二極管(LED)的構造與工作原理)發(fā)光二極管的基本原理如果我們將二極管的芯片放大，如圖一(b)的氮化鎵發(fā)光二極管所示，有金屬電極，中

4、間有N型與P型的氮化鎵與電極，當發(fā)光二極管與電池連接時，電子由電池的負極流入N型半導體，空穴由電池的正極流入P型半導體，電子與空穴在P型與N型的接面處結合，并且由芯片的上方發(fā)光，經(jīng)過橢圓形的塑料封裝外殼，由于橢圓形的塑料封裝外殼類似凸透鏡，具有聚光的效果，可以使發(fā)出來的光線比較集中。值得注意的是，真正能夠使發(fā)出來的光線集中成一束射出的半導體元器件只有激光二極管(LD)，要讓光線集中成一束必須要有諧振腔(Cavity)的結構才行，關于激光，我以后會做詳細介紹。發(fā)光二極管的顏色當我們對不同的化合物半導體材料施加電壓時，會使化合物半導體發(fā)出不同顏色的光，科學家們利用這種原理可以制作出不同顏色的發(fā)光組

5、件，如表一所示，簡單說明如下：(表一發(fā)光二極管(LED)材料的種類與發(fā)光顏色的關系)外延方法：是指成長化合物半導體的方法，液相外延(LPE：LiquidPhaseEpitaxy)是使用加熱法使化合物半導體熔化為液體，再緩慢冷卻形成固體單晶結構；有機金屬化學氣相沉積(MOCVD：MetalOrganicChemicalVaporDeposition)，是使用有機金屬與氣體，直接噴在砷化鎵晶圓上形成單晶薄膜(外延)。發(fā)光顏色：是指肉眼觀察發(fā)光二極管所放射出來的顏色。碳化硅(SiC)：發(fā)光顏色為藍綠色，由于早期并沒有可以放射出藍光的發(fā)光二極管，所以大多使用碳化硅(SiC)做為藍光二極管，但是碳化硅放

6、射出來的顏色并不是真正的藍色，而且器件的壽命不長(亮度會逐漸變弱)，而可以在戶外播放真實影像的顯示屏必須使用紅、綠、藍三原色組合而成，早期的顯示屏沒有藍色(因為沒有藍光的發(fā)光二極管)，所以只能播放單色顯示屏(顯示文字或簡單的圖形)，而不能播放真實的影像。氮化鎵(GaN)：直到1995年，日本日亞化學公司中村修二博士團隊才發(fā)展出氮化鎵(GaN)，發(fā)光二極管，可以放射出藍光，而且器件的壽命很長，但是氮化鎵和砷化鎵的原子大小相差很多(晶格不匹配)，因此不能夠成長在砷化鎵襯底上，必須成長在藍寶石襯底(氧化鋁單晶)上。由于當初藍寶石晶襯底價格很高，硬度又高不易加工，因此成本較高，再加上許多相關的專利都掌

7、握在日本日亞化學公司手中，專利授權金造成藍光二極管的售價很高，所以早期藍光LED價格居高不下，隨著臺灣與大陸對這個技術的投入，目前藍光LED價格已經(jīng)非常平價，大量使用于照明與顯示產品。二六族二元素化合物半導體：包括硒化鎘(CdSe)、碲化鋅(ZnTe)、硫化鎘(CdS)、硒化鋅(ZnSe)、硒化鋅(ZnS)等的發(fā)光二極管(單晶固體)由于器件的壽命不長，因此目前較少使用，但是這些材料的多晶粉末我們俗稱為熒光粉，目前廣泛地使用在傳統(tǒng)電子映像管顯示器、等離子顯示器、白光發(fā)光二極管等產品。除了二六族化合物半導體，科學家也陸續(xù)開發(fā)出許多不同成分的熒光粉，來增加發(fā)光亮度與使用壽命。發(fā)光二極管的中心波長中心

8、波長是指發(fā)光二極管所放射出來的顏色相對的發(fā)光波長，由于不同顏色的光波長不同，所以發(fā)光二極管放射出不同的顏色就會有相對的發(fā)光波長。以磷化鋁(A1P)，發(fā)光二極管為例，肉眼看到的顏色是綠色，但是其發(fā)光光譜如圖二所示，由圖中可以看出，磷化鋁(A1P)發(fā)光二極管放射光的顏色由0.45um(藍綠色廠0.55m(黃綠色)都有，所以并不是真正的綠色，而是許多波長混合起來的顏色，但是其中心波長5.0um(綠色)的光強度最高，所以肉眼看到的顏色是綠色，發(fā)光強度最強的波長稱為中心波長，換句話說，只要知道發(fā)光二極管放射光的中心波長，就知道肉眼看起來是什么顏色了。發(fā)光二極管放射出來的光譜具有一個波長范圍(0.45m0

9、.55口m)的情形我們稱為光不純，我們也可以使用半波寬值(FullWidthHalfMaximum)來衡量光的純度，真正可以放射出光很純的組件稱為激光(Laser)。波蝦顯為點村應的波枚血為昨值液民以祁農示半波寬值決罡額色的清晰度其頻譜范國越小則人眼所感覺到的撅色較淸晰超常山申族的半波寬范厠在30SOnnn*發(fā)光波長fnm）（圖二磷化鋁（A1P）發(fā)光二極管的發(fā)光光譜）發(fā)光二極管的種類如果以芯片結構來分類，可以分為正裝芯片，倒裝芯片與垂直結構芯片。如圖三（a）所示，正負（PN）電極在同一發(fā)光面的結構，稱為正裝結構，由于找不到氮化鎵材料合適的導電襯底，所以在藍光成功研發(fā)與產業(yè)化成功之后，藍寶石一直

10、是這個結構最重要的襯底材料，由于襯底材料不導電，所以一般藍光綠光與紫光的氮化鎵LED都是這個結構。最早的紅黃光LED結構由于是使用可以導電的砷化鎵與磷化鎵襯底，所以都做成單電極的垂直結構，這個結構是最早的LED結構，由于光與電流的均勻性好，指向性強，所以后來藍光LED在特殊應用的燈具上也開始使用垂直結構LED,但是由于氮化鎵材料的垂直結構LED工藝比較復雜，難度較大，需要將藍寶石襯底剝離或是需要直接將氮化鎵直接成長在導電的硅或金屬襯底上，所以良率比較難控制,所以這種結構的藍光綠光或紫光的LED應用比較特殊，例如手機閃光燈，指向性強的手電筒，汽車燈與UV固化燈，除了應用光型需要外，成本高只能用在

11、高端也是重要原因。倒裝結構如圖三（c）所示，與正裝結構類似，都是藍寶石襯底材料，但是需要將發(fā)光面鍍上反射電極，然后倒裝貼合在其他的基板，倒裝芯片由背面發(fā)光，正負PN電極面反射光線，由于傳熱路徑短與傳熱材料比藍寶石優(yōu)越，所以倒裝結構可以有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性，可以比正裝芯片驅動更高的電流而不衰減。n-Alfn-aP,n-GaA5h-AllnGaP)Wsn-GaA&跡剛嘗吧PILLED(圖三LED芯片結構分類圖)如圖四所示，如果以封裝形式來分類，LED可以分類為直插型(lamp)圖四(a),大功率流明型(HighPowerlumiledsluxeonType)圖四(b)，貼片型(SMD)圖四(c)，與C

12、OB(chiponboard)圖四(d)。直插lamp是最早的封裝形式，但是由于散熱較差，所以目前越來越少使用，只有在裝飾燈與紅外指示燈方面用的比較多。大功率封裝以前在戶外路燈方面有大量使用，但是隨著SMD與COB的興起，目前也漸漸趨于沉寂。由于中國大陸設備技術的快速發(fā)展，加上通用照明和大尺寸背光的興起，SMD已經(jīng)是最主流的封裝技術，其方法是將LED芯片安裝在基體上以構成離散式的LED組件，接著再將這些LED組件安排在印刷電路板(PCB)上形成多重LED光源組合以提升照明度。由于在光型與散熱方面的優(yōu)點,COB封裝技術帶來每單位區(qū)域LED光源封裝設計上更加精簡或照明度更高的輸出，低熱阻以及正確的

13、封裝材料選擇帶來令人驚艷的光輸出以及更長的壽命，所以COBLED封裝不僅擁有比傳統(tǒng)離散式LED組件封裝更佳的效能，還能夠簡化溫度管理來簡化系統(tǒng)級的設計，可以說是幫助LED符合照明市場需求的理想解決方案，是可以與SMD爭雄的LED封裝新技術。J(JPEKWS1DKV1KW(圖四LED封裝形式分類圖)光的三原色(Threeprimarycolors)三原色的定義可見光有無限多種顏色，那么制作顯示器時要如何顯示這么多種顏色呢？幸好科學家們發(fā)現(xiàn)，可見光雖然有無限多種顏色，但是只要以紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色不同亮度即可組合成連續(xù)光譜中幾乎所有可見光的顏色，因此我們稱紅(R)、綠(G)、藍(B

14、)三色為光的三原色，為什么RGB三種顏色只能組合成幾乎所有可見光的顏色，而不能組合成所有可見光的顏色呢？這個部分與色彩學有關，在此不再詳細討論。本章節(jié)以下面幾個例子說明如何組合不同亮度的RGB三種顏色來形成幾乎所有可見光的顏色。假設有一個方格用來顯示某一種顏色，這樣的方格稱為像素(pixel)，我們將這個方格垂直切割成三個小方格，分別代表RGB三種顏色，這樣的小方格稱為次像素(sub-pixel)，如圖五所示。當紅色亮度100%(全亮)、綠色亮度100%(全亮)、藍色亮度100%(全亮)則我們的視覺會感受到三種顏色混合成白色，如圖五(a)所示，大家可以自行目視圖無(a),結果會發(fā)現(xiàn)不論怎么看都

15、是三種顏色呀！怎么會混合成白色呢？要讓我們的視覺感受到RGB三種顏色混合成一種顏色有兩種方法：讓觀察者距離較遠來觀看：一種方法是像素的大小不變，但是觀察者后退到十公尺以外再看，由于大部分的人都有近視(這一點很重要)，此時眼睛根本無法分辨RGB三個次像素，只能隱約看成一個像素，而RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色了。發(fā)光二極管的顯示屏，它顯示的RGB三個次像素都很大，但是觀察者在距離數(shù)十公尺以外觀看，無法分辨RGB三個次像素，所以RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色。將像素縮小到數(shù)百微米：另外一種方法是將像素縮小到數(shù)百微米(大約與頭發(fā)的直徑大小相同)，此時RGB三個次像素也非常微小

16、，這么小的次像素不論觀察者靠多近觀看，眼睛都不容易分辨RGB三個次像素，只能隱約看成一個像素，而RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色了。大家所使用的筆記本電腦顯示器稱為液晶顯示器(LCD)，它顯示的RGB三個次像素都很小，雖然觀察者在距離數(shù)十公分以內觀看，仍然無法分辨RGB三個次像素，所以RGB三種顏色自然也會被隱約混合成一種顏色。次像素像索籃色(圖五紅(R)、綠(G)、藍(B)三個次像素組合成連續(xù)光譜中幾乎所有的顏色)三原色混合我們可以將RGB三個次像素可能混合成的顏色舉例如下：紅色亮度100%（全亮）、綠色亮度100%（全亮）、藍色亮度100%（全亮）大約混合成白色，如圖五（a）所示

17、。紅色亮度100%（全亮）、綠色亮度100%（全亮）、藍色亮度0%（全暗）大約混合成黃色，如圖五（b）所示。紅色亮度100%（全亮）、綠色亮度50%（亮一半）、藍色亮度0%（全暗）大約混合成橙色，如圖五（c）所示。紅色亮度0%（全暗）、綠色亮度100%（全亮）、藍色亮度100%（全亮）大約混合成藍綠色，如圖五（d）所示。紅色亮度100%（全亮）、綠色亮度0%（全暗）、藍色亮度100%（全亮）大約混合成紫色，如圖五（e）所示。紅色亮度0%（全暗）、綠色亮度0%（全暗）、藍色亮度0%（全暗）則會混合成黑色，如圖五（f）所示。如果我們可以分別控制RGB三個次畫素的亮度為100%（全亮）、75%、50

18、%、25%、0%（全暗）等五種，則這個畫素總共可以顯示5種不同亮度的紅色（R）、5種不同亮度的綠色（G）、5種不同亮度的藍色（B），故總共可以顯示5X5X5=125種顏色。如果我們可以分別控制愈多不同亮度的RGB，則總共可以顯示的顏色愈多，但是技術也愈困難。我們常見的六角形調色盤如圖五（g）所示，圖中列出數(shù)十種由RGB三個次像素不同亮度混合而成的顏色，右下角為紅色（R），左方為綠色（G），右上角為藍色（B），三種顏色全亮則混合成白色在六角形的正中央。視覺色彩學的定義視覺色彩學主要是在討論人類的視覺感受與色彩的關系，由于顯示器與多媒體都與人類的視覺息息相關，因此必須先對人類的視覺做簡單的介紹，才

19、能了解各種顯示器設計的原理，我們先來了解一下人類的眼睛看到不同顏色或影像，會有什么不同的反應吧！人類的視覺感受人類的視覺神經(jīng)對光的亮度感受程度與光的顏色有關，在白天或明亮處，人類的視覺神經(jīng)對黃綠色最敏感，如圖六所示，在明亮處人類視覺感受為粗線，其最高點大約在黃綠色；在夜晚或黑暗處，人類的視覺神經(jīng)對綠色最敏感，如圖六所示，在黑暗處人類視覺感受為細線，其最高點大約在綠色。因此，雨衣一般以黃色或綠色制作，穿著在明亮處但是視線不良的下雨天行走較明顯而安全；而會議簡報通常在室內黑暗處進行，故以紅光激光二極管(LD)來指示較不清楚，目前許多廠商開發(fā)出綠光激光二極管的產品，使會議簡報指示更清波氏Cum)(圖

20、六人類的視覺神經(jīng)與顏色的關系)閃爍與刺眼(Flicker&Glare)畫面(Frame)：指顯示器所顯示的一幅靜態(tài)的圖形，由于人類的眼睛有視覺暫留的現(xiàn)象，如果在很短的時間內連續(xù)播放一連串的畫面，人類的大腦會以為這一連串的畫面是連續(xù)的，這就是我們所謂的電影或動畫。要評量一個顯示器或影片質量好壞非常重要一個參數(shù)是每秒鐘(sec)所播放的畫面(Frame)數(shù)目，又稱為每秒畫面數(shù)目(fps：framepersec)J，通常顯示器1秒鐘播放30個畫面(30fps)大概就已經(jīng)超過人類的眼睛所能分辨的極限了，換句話說，顯示器1秒鐘播放超過30個畫面其實是沒有什么意義的，一般的電視或電影每秒畫面數(shù)目大約為30

21、fps；目前迪斯尼的立體動畫，例如：玩具總動員(ToyStory)、怪獸電力公司(MonstersInc.)等是使用計算機所繪制的立體畫面，其每秒畫面數(shù)目可以達到20fps以上，所以動作看起來很連續(xù)；早期迪斯尼的平面卡通，例如：米老鼠與唐老鴨、大力水手等，大多是由動畫師以人工的方式繪制，其每秒畫面數(shù)目大約只有l(wèi)Ofps，因此動作看起來不太連續(xù)。閃爍(Flicker)：指當每秒畫面數(shù)目太少時，前后畫面的切換時間太長而使人類的眼睛產生一明一暗的視覺感受。由于人類的眼睛有視覺暫留的現(xiàn)象，如果前后放映的畫面切換較快，則眼睛不會感受到閃爍，如果切換較慢，則眼睛會感受到忽明忽暗的現(xiàn)象，這就是畫面產生閃爍的

22、原因。畫面閃爍的程度會與畫面的亮度及眼睛觀看畫面的角度有關，當畫面閃爍速率愈高，眼睛會感覺畫面的亮度愈亮，眼睛觀看畫面的角度不同，感受到的畫面閃爍程度也會不同，但是影響比較小。刺眼是指畫面的亮度或照度比太大時，使眼睛有不舒服的感覺，而對畫面產生心理排斥的現(xiàn)象。亮度的單位(Theunitofbrightness)瓦特(Watt)光的亮度有許多不同的單位，在學習光電科技之前必須先了解，才能明白各種光電科技產品所描述的亮度是代表什么意義。瓦特(Watt)的定義為光源單位時間產生多少能量，即光源單位時間產生多少焦耳，其單位為W，是最常見的亮度單位。流明(lm：Lumen)流明(Lumen)是眼睛實際感

23、受到光源的亮度，單位為5。瓦特是光源產生多少能量，但是人類的視覺神經(jīng)對不同顏色的光感受程度不同，因此光源同樣發(fā)出1瓦特的光，在白天時，若是綠光則人類的眼睛會覺得比較亮，若是紅光或藍光則人類的眼睛會覺得比較暗，因此國際照明協(xié)會(CIE：InternationalCommissiononIllumination)定義在白天時，若光源實際產生的能量為1瓦特，則波長0.63口m的紅光：1瓦特(W)=181流明(lm).波長0.555口m的綠光：1瓦特(W)=683流明(lm).波長0.47口m的藍光：1瓦特(W)=62流明(lm)換句話說，光源同樣發(fā)出1瓦特(W)的光，人類的眼睛看起來，綠光的亮度有6

24、83流明(lm)，紅光只有181流明(lm)，藍光只有62流明(lm)，顯然在白天人類的眼睛對綠光的感受程度最大，對紅光的感受程度次之，對藍光的感受程度最小。燭光(cd：Candela)燭光(Candela)的定義為單位立體角(以弳度計算，Q=180)眼睛實際感受到光源的亮度有多少流明(lm)，即每單位弳度(Q)眼睛實際感受到多少流明(lm)，單位為cd。燭光(曲)=流明(加)hn要正確地描述一個點光源實際的亮度，應該將角度的因素考慮進去，由于點光源呈放射狀向四面八方照射并不是平面上的角度，因此將這種放射角度稱為立體角，必須經(jīng)由積分計算整個立體球面的角度總共為4Q弳度(大約4X3.14=12.56弳度)，故1燭光的點光源(代表每1弳度發(fā)出1流明的光)，如果接收的角度為整個立體球面(12.56弳度)，則其亮度為12.56流明，如果接收角度只有半個立體球面(6.28弳度)，則其亮度為6.28流明。照度(Lux：Illumination)照度(Illumination)的定義為單位面積，眼睛實際感受到光源的亮度有多少流明(lm),即每平方公尺(m2)J眼睛實際感受到多少流明(lm)J,單位為lux。照度(應丫)=流明(加)-bn缶積3)總輝度(Luminance)輝度(L