項目一認識LED的學(xué)習(xí)

項目一認識LED的學(xué)習(xí)項目一認識LED項目二認知LED照明LED屏幕顯示系統(tǒng)的組裝與調(diào)試項目四初識LED項目五理解LED標準項目一認識LED項目描述從了解LED的基本特征與分類作為入門，認識常見LED器件；由LED的內(nèi)在特性分析進而了解普通LED、高亮度LED以及白光LED的性能及其應(yīng)用前景。知識目標了解LED的基本特征熟悉LED的工作條件認識常見LED器件返回技能目標掌握用萬用表測試LED的方法學(xué)會測試LED伏安特性學(xué)會識別LED器件任務(wù)任務(wù)一LED認識入門任務(wù)二LED特性分析任務(wù)三認識高亮度LED任務(wù)一LED認識入門1.LED的基本特征（1）發(fā)光效率高（7）環(huán)保（2）使用壽命長，響應(yīng)快（3）耗電量少（4）體積小，結(jié)構(gòu)牢固（5）安全可靠性高，控制方式靈活（6）高亮度，低熱量名稱光通量流明（lm）光效流明每瓦（lm/W）起動特性頻閃電磁干擾使用壽命小時（h）易損性白熾燈48012~24快嚴重?zé)o1000玻璃材質(zhì)易損熒光燈φ=26mm(T8)200030~70慢重大5000玻璃材質(zhì)易損節(jié)能燈（緊湊型）500~54060慢輕大6000玻璃材質(zhì)易損LED50~20050~200極快無小10000全固體不易損壞表1-1LED與幾種常見照明方式效能比較一.LED的分類（1）按波長和亮度分類表1-2LED按波長和亮度分類類型波長亮度材料應(yīng)用可見光LED450~780nm一般亮度LEDGaP、GaAsP、AlGaAs3C家電、消費電子高亮度LEDAlGaInP(紅、橙、黃)戶外全彩看板、交通信號燈、背光源、車用照明InGaN（藍、綠）白光LED背光源、照明不可見光LED850~1550nm短波長紅外光（850~950nm）GaA、AlGaAsIRDA模組、遙控器長波長紅外光（1300~1550nm）AlGaAs光通訊光源（2）按產(chǎn)業(yè)分類LED產(chǎn)業(yè)主要可以分成上游外延片生長、中游芯片制造、下游芯片封裝三類。①上游外延片生長表1-3LED主要外延片生長技術(shù)技術(shù)特色優(yōu)點缺點主要應(yīng)用液相外延（LPE）以熔融態(tài)的液體材料直接和基板接觸而沉積晶膜操作簡單，晶膜生長速度快晶膜薄度控制差，平整度差一般亮度LED氣相外延（VPE）以氣體或電漿材料傳輸至基板，促使晶格表面粒子凝結(jié)晶膜生長速度快晶膜薄度及平整度不易控制一般亮度LED有機金屬氣相外延（MOCVD）將有機金屬以氣體形式擴散至基板，促使晶格表面粒子凝結(jié)晶膜薄度及平整度易控制，純度高成本較高，成品率較低高亮度LED②中游芯片制造中游芯片制造時根據(jù)LED的性能需求進行器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，通過外延片擴散、然后金屬鍍膜，再進行光刻、熱處理、形成LED兩端的金屬電極，接著將基板磨薄拋光后進行切割③下游芯片封裝下游把從中游來的芯片粘帖并焊接導(dǎo)線架，經(jīng)由測試、封膠、然后封裝成各種不同的產(chǎn)品。（3）按芯片材料分類基板材料發(fā)光材料外延片技術(shù)發(fā)光顏色波長（nm）光強（mcd）GaP磷化鎵GaP,Zn,LPE紅光70040GaP,NLPE黃綠光565200GaP磷化鎵GaAsPVPE+擴散紅光650100GaAsPVPE+擴散橙光650300GaAsPVPE+擴散黃光585200GaAs砷化鎵AlGaAsLPE紅光655500GaAs砷化鎵InGaAlPMOCVD紅光6356000InGaAlPMOCVD紅橙光6207000InGaAlPMOCVD黃光5908000Sapphire藍寶石GaNMOCVD黃綠光5206000GaNMOCVD藍光4652500GaN+熒光粉MOCVD白光30lm/W表1-4LED芯片材料分類（4）按封裝結(jié)構(gòu)和管芯數(shù)目分類表1-5LED結(jié)構(gòu)特征類型結(jié)構(gòu)特征點光源環(huán)氧包封，金屬陶瓷底座環(huán)氧封裝，表面貼裝子彈形，圓形，矩形，多邊形橢圓形等面光源單列直插，雙列直插，表面貼裝發(fā)光面積大，可見距離遠，視角寬，圓形梯形，三角形，長方形，正方形等發(fā)光顯示器表面貼裝，混合封裝數(shù)碼管，符號管，米字管，矩形管，光柱顯示器（5）按發(fā)光顏色分LED發(fā)光顏色可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光和白光等。（6）按出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。(7)按結(jié)構(gòu)分LED按結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。（8）按發(fā)光強度和工作電流分按發(fā)光強度和工作電流分，有一般亮度的LED（發(fā)光強度＜10mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度LED。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下。（9）按顯示屏分分類方式LED顯示屏簡述使用環(huán)境室內(nèi)屏室內(nèi)LED顯示屏在室內(nèi)環(huán)境下使用，此類顯示屏亮度適中、視角大、混色距離近、重量輕、密度高，適合較近距離觀看。室外屏室外LED顯示屏在室外環(huán)境下使用，此類顯示屏亮度高、混色距離遠、防護等級高、防水和抗紫外線能力強，適合遠距離觀看。顯示顏色單基色單基色LED顯示屏由一種顏色的LED燈組成，僅可顯示單一顏色，如紅色、綠色、橙色等。雙基色雙基色LED顯示屏由紅色和綠色LED燈組成，256級灰度的雙基色顯示屏可顯示65536種顏色（雙色屏可顯示紅、綠、黃3種顏色）。全彩色全彩色（也稱三基色）LED顯示屏由紅色、綠色和藍色LED燈組成，可以很好地還原自然界的色彩，組成出16777216種顏色。顯示功能條形屏條形LED顯示屏主要用于顯示文字，可用遙控器輸入，也可與計算機聯(lián)機使用，通過計算機發(fā)送信息，也可脫機工作。屏幕多做成條形。圖文屏圖文LED顯示屏可顯示文字文本、圖形圖片等信息內(nèi)容。一臺計算機可控制多快屏，可聯(lián)網(wǎng)脫機顯示?；旌掀罫ED混合屏包含數(shù)碼屏和條形屏，主要用于顯示文字和數(shù)字。在證券、利率、期貨顯示以及各種價目表顯示等得到廣泛應(yīng)用。視頻屏視頻LED顯示屏可實時、同步地顯示各種信息，如二維或三維動畫、錄像、電視、影碟以及現(xiàn)場實況等多種視頻信息內(nèi)容。封裝方式點陣模塊模塊LED顯示屏是由將LED晶片封裝在點陣塑膠套件內(nèi)的LED模塊組成，多為室內(nèi)顯示屏。表面貼裝表貼LED顯示屏是將由LED晶片封裝在透明塑料體內(nèi)，去除了較重的碳鋼材料引腳，采SMD(表面貼裝工藝)，通過縮小尺寸、擴大視角、降低重量，使應(yīng)用更趨完美，尤其適合戶內(nèi)，半戶外顯示屏使用。直插單體直插單體LED顯示屏是將LED晶片封裝在一個杯型環(huán)氧樹脂框罩內(nèi)，兩條管腳分別為正負極的兩個引線的LED燈組成。應(yīng)用范圍很廣。表1-6LED顯示屏的分類二、常見LED器件1.常見LED器件形式（1）單體LED(a)橢圓LED(b)普通LED(c)食人魚LED(2)貼片式（SMD）LED（a）全彩LED(b)白光LED（3）LED點陣模塊（a）半戶外點陣模塊（b）LED室內(nèi)點陣模塊（c）單色LED點陣模塊(4)數(shù)碼管（a）8字型數(shù)碼管（b）三位數(shù)碼管（c）管數(shù)字點陣模塊(5)像素管（b）方形像素?zé)簦╝）圓形像素?zé)?.常見的LED產(chǎn)品【圖1-8常見LED產(chǎn)品（1）～（10）】（1）LED封裝器件示例（a）大功率貼片式燈珠（b）LED球燈泡（c）LED像素?zé)簦?）LED顯示屏示例（a）LED幕墻屏（b）LED條屏（c）LED顯示屏（室內(nèi)全彩）（d）戶外LED顯示屏（3）LED照明產(chǎn)品示例（a）LED臺燈（b）LED路燈（c）LED草地?zé)簦╠）LED護欄管（e）LED手電筒（f）LED軟條彩燈（g）LED射燈（h）LED閃光燈（i）聲光控LED燈2.常見的LED產(chǎn)品【圖1-8常見LED產(chǎn)品（1）～（10）】（4）LED交通信號標志示例（5）LED車尾燈（7）LED手機背光源示例(a)LED穿孔字(b)LED霓虹燈(c)LED發(fā)光字（9）LED筆記本（10）LED電視紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光和白光等。復(fù)習(xí)思考題1．LED的基本特征有哪些？2．LED按發(fā)光顏色分類有哪幾種？4.試比較LED、白熾燈、熒光燈的能量轉(zhuǎn)換效率，說明LED的節(jié)能效果。3．試列出幾種常見的LED照明產(chǎn)品。（1）發(fā)光效率高（7）環(huán)保（2）使用壽命長，響應(yīng)快（3）耗電量少（4）體積小，結(jié)構(gòu)牢固（5）安全可靠性高，控制方式靈活（6）高亮度，低熱量技能訓(xùn)練一LED器件識別1.實訓(xùn)目的（1）認識LED的外形（出光面）特征；（2）識別普通LED、貼片LED的極性；（3）初步學(xué)會識別LED器件。2.實訓(xùn)器材序號類型型號與規(guī)格數(shù)量1草帽形LEDF5發(fā)光二極管紅、綠、藍各1個或若干個2方形LED2×3×4mm紅、綠、藍、黃、白各1個或若干個3圓頭LED5mm紅、綠、藍、白各1個或若干個4橢圓LED5mm紅、粉紅、橙、黃各1個或若干個5子彈頭LED5mm白或其它顏色1個或若干個63528貼片LED20mA白或其它顏色1個或若干個3.實訓(xùn)內(nèi)容與步驟（1）插件式LED外形識別逐一觀察比較，區(qū)分不同外觀的LED發(fā)光二極管，列表寫出外觀名稱；將顏色相同的LED進行歸類比較，記入列表中。（2）目測法辨別插件式LED、SMDLED器件正負極a.用眼睛來觀察發(fā)光二極管，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的兩個電極一大一小。一般來說，電極較小、個頭較矮的一個是發(fā)光二極管的正極，電極較大的一個是它的負極。b.根據(jù)外形標記區(qū)分LED正負極LED的管腳引線以較長者為正極，較短者為負極。如管帽上有凸起標志，那么靠近凸起標志的管腳就為正極。貼片式LED，俯視，一邊帶彩色線的是負極，另一邊是正極。有綠色點的SMDLED，綠色點為負極，相對的為正極。4.問題討論（1）如何從LED的外觀辨別其正、負極性？（2）查閱網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資料，了解普通LED、貼片LED的電流、電壓、亮度、顏色及用途等。任務(wù)二LED特性分析一、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理1.LED的結(jié)構(gòu)LED主要由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五種物料所組成。LED的兩根引線中較長的一根為正極，接電源的正極；反之，較短的一根為負極，接電源的負極。圖1-10LED的結(jié)構(gòu)2.LED的發(fā)光原理在某些半導(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)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能當LED處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。二、LED的參數(shù)1.LED電參數(shù)（1）正向工作電流IF（2）正向工作電壓UF（3）反向電壓UR（4）反向電流IR

3.LED光學(xué)特性參數(shù)（1）發(fā)光強度（2）光通量（3）發(fā)光效率（4）LED發(fā)光角度2.LED極限參數(shù)（1）允許功耗Pm（2）正向極限電流IFm

（3）反向極限電壓URm

（4）工作環(huán)境溫度topm1Ai(mA)u(v)20-10-20-30246正向截止區(qū)工作區(qū)反向截止區(qū)BCD反向擊穿區(qū)8三、LED的特性與發(fā)光效率分析1.LED的伏安特性（1）正向特性①正向截止區(qū)正向電流很小，LED呈現(xiàn)很大的電阻，不發(fā)光。②正向工作區(qū)LED正向?qū)úl(fā)亮（2）反向特性①反向截止區(qū)LED加上反向電壓時，呈現(xiàn)很大的電阻。②反向擊穿區(qū)當反向電壓增加某一數(shù)值時，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。LED的U–I特性具有非線性、整流性質(zhì)（單向?qū)щ娦裕?，即外加正偏壓表現(xiàn)低電阻，反之為高電阻。2.LED光特性分析LED光特性主要包括光通量和發(fā)光效率、輻射通量和輻射效率、光強和光強分布特性以及光譜參數(shù)等。從測量的角度看，光通量的測試一般采用積分球法。在測得光通量之后，配合電參數(shù)測試儀可以測得LED的發(fā)光效率。而輻射通量和輻射效率的測試方法類似于光通量和發(fā)光效率的測試。光強分布由探測器測試，光譜功率特性可由光譜功率分布表示。3.LED的發(fā)光效率分析影響發(fā)光效率主要因素有內(nèi)部量子效率與光提取效率。內(nèi)部量子效率與組件本身特性如組件材料能帶、缺陷、雜質(zhì)及組件外延組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。影響LED光提取效率因素包括LED電特性、LED芯片取光效率、與LED封裝效率。復(fù)習(xí)思考題1．LED主要由

、

、

、

、

五種物料所組成。2．LED在正向?qū)〞r能發(fā)光，光的強弱與

有關(guān)，光的顏色與

有關(guān)。3．LED的伏安特性具有

性、

性。4.影響LED發(fā)光效率主要因素有

效率與

效率。技能訓(xùn)練二LED伏安特性的測試1.實訓(xùn)目的（1）提高LED伏安特性的感性認識，包括正向電流、正向壓降、反向電流、反向壓降；（2）熟悉LED的工作條件，正確、安全的使用LED；（3）通過電學(xué)特性的測量，認識LED的發(fā)光機理。2.實訓(xùn)器材表1-8LED伏安特性測試實訓(xùn)器材序號名

稱型號與規(guī)格數(shù)量1可調(diào)直流穩(wěn)壓電源0～24V12萬用表FM-30或其他13直流數(shù)字毫安表自選14直流數(shù)字電壓表自選15可變電阻器1KΩ/1W16發(fā)光二極管Ф5，紅色17發(fā)光二極管Ф5，白色18電阻器680Ω13.實訓(xùn)內(nèi)容與步驟（1）正向特性曲線的測量圖1-12正向特性曲線測量電路被測器件用紅光LED，利用逐點測量法，調(diào)節(jié)電位器改變輸入電壓Ui，從而給LED加上不同的電壓UF，測量不同電壓時，流過LED對應(yīng)的電流IF，將結(jié)果記入表1-9中。表1-9LED正向特性測量記錄UF（V）IF（mA）（2）反向特性曲線的測量將電源正負極互換如圖1-13所示。測量二極管兩端電壓UF和對應(yīng)流過二極管的電流IF，將結(jié)果記入表1-10中圖1-13反向特性曲線測量電路表1-10LED反向特性測量記錄UF（V）IF（mA）（3）根據(jù)上述測量的數(shù)據(jù)，逐點描繪出LED的伏安特性曲線。（4）將被測器件換成白光LED，按上述步驟操作測量，記錄數(shù)據(jù)并繪制曲線。4.注意事項（1）發(fā)光二極管是非線性元件，為了避免燒壞發(fā)光二極管和儀表，對于紅光LED要求測量時，從電流值為7.00mA所對應(yīng)的電壓開始測量，然后降低電壓，測量每一點；對于白光LED測量時，要求從電流值為20.00mA所對應(yīng)的電壓開始測量，然后降低電壓，測量每一點。（2）正確連接分壓電路及選擇滑動頭的初始位置。（3）正向伏安特性的測量采用電流表外接，反向伏安特性的測量采用電流表內(nèi)接。（4）正確理解電表量程的變換及有效數(shù)字的讀取。5.問題討論（1）比較實驗中兩種二極管的特性曲線有何區(qū)別？（2）發(fā)光二極管正常工作的條件是什么？應(yīng)如何確定？（3）定性地分析對電表的接入所造成的誤差。技能訓(xùn)練三LED的電光轉(zhuǎn)換特性測試1.實訓(xùn)目的（1）了解LED電流注入功率與輻射功率的關(guān)系及其測方法；（2）了解LED的輻射（發(fā)光）效率。2.實訓(xùn)器材表1-11LED電光轉(zhuǎn)換特性測試實訓(xùn)器材序號名

稱型號與規(guī)格數(shù)量1光電特性綜合實驗系統(tǒng)CSY－10E12萬用表FM-30或其它13直流數(shù)字毫安表自選14直流數(shù)字電壓表自選15可變電阻器1KΩ/1W16LEDФ5，紅色13.測量原理圖圖1-15LED的P–I曲線測量電路4.實訓(xùn)內(nèi)容與步驟（1）將待測紅光LED接入膠木模塊的插孔，模塊另一端的插頭插到控制面板“LED/LD驅(qū)動”部分的“正向電壓”端口，將膠木模塊固定在轉(zhuǎn)臺導(dǎo)軌上?！半妷簻y量”的正負端分別接到電壓表的“20V+”和“-”端，電壓表量程選擇20V?！半娏鳒y量”的正負端分別接到電流表的“200mA+”和“-”端，電流表量程選擇200mA。將探測器固定在二維支架上，移動導(dǎo)軌上支架，使探測器離轉(zhuǎn)臺最近，移動轉(zhuǎn)臺導(dǎo)軌上的膠木模塊，使LED盡量靠近探測器探測器。探測器信號輸出的紅色插頭插入控制面板“3”孔，黑色插頭插入“2”孔，“4”“5”之間插入10K電阻。（2）打開“LED/LD驅(qū)動”開關(guān)，緩慢增加LED的正向電流，記下正向電壓、電流，填入表1-12中。通過計算機讀出相應(yīng)的功率讀數(shù)，計算機軟件會顯示所得到的數(shù)據(jù)和圖表。表1-12P-I特性測試記錄序號LED正向電流（mA）LED正向電壓（V）輸出光功率（μW）123456（3）實驗結(jié)束把旋鈕回復(fù)至初始位置，關(guān)閉電源。（4）根據(jù)記錄的表格計算LED的輻射效率η=P/IU。5.問題討論（1）比較輻射效率和發(fā)光效率這兩個物理概念。（2）分析測量結(jié)果光功率和輻射效率偏低的原因。任務(wù)三認識高亮度LED一、高亮度LED1.高亮度LED的特點高亮度LED具有高度的可靠性，發(fā)光強度、發(fā)光效率高，長壽命、省電、耐震、低電壓驅(qū)動等優(yōu)點。（a）各色高亮度LED（b）高亮度白光LED(c)高亮度紅色LED（d）高亮度LED芯片圖1-16高亮度LED的外觀圖1-17LED芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）GaN基藍綠光LED芯片（b）GaN基高亮度藍光LED芯片金屬反光層紅光外延層N電極P電極（c）紅光芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)硅襯底（d）紅光芯片外觀2.高亮度LED的基本特性正向偏置時可發(fā)出白光、紅光、綠光或藍光（也可能產(chǎn)生其它顏色光）。圖1-18高亮LED電壓-電流曲線圖圖1-19高亮LED電流-亮度曲線圖從圖1-19高亮LED電流-亮度曲線圖分析可以得出：電流與亮度的關(guān)系基本上是屬于線性關(guān)系。3.高亮度LED的關(guān)鍵技術(shù)高亮度LED的關(guān)鍵制造技術(shù)之一是MOCVD技術(shù)。近年以來，MOCVD產(chǎn)率的任何進展都是通過增加MOCVD反應(yīng)爐的載荷量而獲得。（a）近耦合噴淋頭式反應(yīng)爐（b）行星反應(yīng)爐4.高亮度LED的散熱散熱不良最主要的影響是：(1)發(fā)光亮度減弱(2)使用壽命衰減解決LED散熱問題，常采用金屬基板、陶瓷基板以及AGSP基板等技術(shù)。（a）AGSP基板技術(shù)外觀最大直徑4mm封裝樹脂+熒光粉LED傳導(dǎo)電路傳導(dǎo)電路傳導(dǎo)電路銅柱0.2mm具有高熱傳導(dǎo)性能的絕緣樹脂導(dǎo)電孔AGSP基板圖1-21AGSP技術(shù)提供出色的散熱性能熱5.高亮度LED的應(yīng)用高亮度四無化合物，如ALInGaPVGaInN系LED白光LED大尺寸背光源、一般照明等戶外彩色屏幕、交通標志、背光源、車用照明等圖1-22高亮度LED的應(yīng)用（1）汽車照明（2）便攜式照明（3）戶外照明（4）室內(nèi)照明（5）交通標志（6）大屏幕顯示（7）高科技電子產(chǎn)品中的應(yīng)用二、白光LED的實現(xiàn)方法（1）白光是一種多顏色的混合光，有三種方法可實現(xiàn)白光LED。藍色LED芯片和可被藍光有效激發(fā)的發(fā)黃光熒光粉有機結(jié)合組成白光LED。（2）將紅、綠、藍三基色LED組成一個像素也可得到白光。（3）發(fā)紫外光LED芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍三基色熒光體有機結(jié)合組成白光LED。表1-13白光LED實現(xiàn)方法比較名稱優(yōu)點缺點通過LED紅綠藍的三基色多芯片組和發(fā)光合成白光效率高、色溫可控、顯色性較好三基色光衰不同導(dǎo)致色溫不穩(wěn)定、控制電路較復(fù)雜、成本較高藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉組成白光效率高、制備簡單、溫度穩(wěn)定性較好、顯色性較好一致性差、色溫隨角度變化紫外光LED芯片激發(fā)熒光粉發(fā)出三基色合成白光顯色性好、制備簡單LED芯片效率較低，有紫外光泄漏問題，熒光粉溫度穩(wěn)定性問題有待解決復(fù)習(xí)思考題1．普通LED、高亮度LED、超高亮度LED根據(jù)發(fā)光強度如何區(qū)分？2．簡述高亮度LED電流與亮度的關(guān)系特性。3．高亮度LED工作溫度升高所帶來的主要影響有哪些？4.試列出幾種常見的高亮度LED在高科技電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。復(fù)習(xí)思考題技能訓(xùn)練四高亮度LED與普通LED性能的比較

1.實訓(xùn)目的（1）認識高亮