LED基礎(chǔ)知識原理課件

LED基礎(chǔ)知識培訓2011年8月第一部分：基礎(chǔ)知識篇

◆LED的基礎(chǔ)知識◆照明的基礎(chǔ)知識LED的基礎(chǔ)知識LED是什么LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理LED光源的特點LED的特性(技術(shù)指標)LED的分類LED的應用LED使用注意事項二、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理50年前人們已經(jīng)了解半導體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，第一個商用二極管產(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)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性好.發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，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。當它處于正向工作狀態(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)。三、LED光源的特點電壓：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，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%適用性：很小，每個單元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)境穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級環(huán)保：無有害金屬汞顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構(gòu)成。LED不但色彩飽和，而且設計靈活，此外，與傳統(tǒng)白光源相比，LED節(jié)能80~90%，并且光束不產(chǎn)生熱量。在白光應用中，LED的發(fā)光效率是白熾燈及鹵素燈的2倍以上，并且最好的白色LED比標準60~100W白熾燈(17Lm/W)的效率要高出許多。目前，在實驗室中演示的白色LED的發(fā)光效率已接近熒光燈(80Lm/W)。LED的主要缺點是成本高、光輸出低，這是LED技術(shù)攻關(guān)要解決的主要問題，最近幾年已取得較大進展。對商業(yè)白色LED來說，利用大面積芯片及特殊封裝技術(shù)可以使每個器件的光輸出提高100倍，并使每流明光輸出的成本下降80%。四、LED的特性1．極限參數(shù)允許功耗Pm：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。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。工作環(huán)境topm：發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2．電參數(shù)的意義光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。發(fā)光強度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線(對圓柱形發(fā)光管是指其軸線)方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/sr時，則發(fā)光1坎德拉(符號為cd)。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(mcd)作單位。光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指光譜圖中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔.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0.6·IFm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。一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。在正向電壓正小于某一值(叫閾值)時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR五、LED的分類1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(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。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。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。

2．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(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ3mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1(3/4)；把φ4.4mm的記作T-1(1/4)。由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：(1)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5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。(2)標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°~45°。(3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°~90°或更大，散射劑的量較大。六、LED的應用由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應根據(jù)實際需要進行恰當選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時，應保證不超過此值。為安全起見，實際電流IF應在0.6IFm以下。LED被廣泛用于種電子儀器和電子設備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。1．普通發(fā)光二極管的檢測(1)用萬用表檢測。利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時，二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ,反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或為∞，反向電阻值很小或為0，則易損壞。這種檢測方法，不能實地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因為×10kΩ擋不能向LED提供較大正向電流。若有兩塊指針萬用表(最好同型號)可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測發(fā)光管的正極(P區(qū))，余下的“+”筆接被測發(fā)光管的負極(N區(qū))。兩塊萬用表均置×10Ω擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應注意，不能一開始測量就將兩塊萬用表置于×1Ω，以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。(2)外接電源測量。用3V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬用表(指針式或數(shù)字式皆可)可以較準確測量發(fā)光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測得VF在1.4~3V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說明發(fā)光正常。如果測得VF=0或VF≈3V，且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞。2．紅外發(fā)光二極管的檢測由于紅外發(fā)光二極管，它發(fā)射1～3μm的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數(shù)mW，不同型號的紅外LED發(fā)光強度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3～2.5V。正是由于其發(fā)射的紅外光人眼看不見，所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結(jié)正、反向電學特性是否正常，而無法判定其發(fā)光情況正常否。為此，最好準備一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光電池)作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當正向電流后是否發(fā)射紅外光。2.亮度的測試和產(chǎn)品使用說明a)檢測和使用LED時，必須給每個LED提供相同電流即恒流檢測，才能保證檢測亮度一致，電流最好不要超過20mA，最好使用15-19mA的電流。b)使用分光分色的產(chǎn)品時，請按BIN號的先后順序歸類使用，不能把不同BIN號LED混合使用在同一產(chǎn)品中，以免產(chǎn)生顏色、亮度、電壓的差異。如果要混BIN號使用，相鄰BIN號可放一起，但盡量避免。3.防靜電注意事項a)所有接觸LED的設備和儀器必須接地良好，特別焊接的烙鐵和錫爐必須接地良好。b)操作人員必須佩帶接地的防靜電手腕，穿防靜電鞋及防靜電衣服。c)防靜電手腕必須每天進行測試，不合格的必須更換。d)若LED有被靜電損害，會顯示一些不良特性：漏電電流增加，靜態(tài)順向電壓降低或上升，在低電流測試下不亮或發(fā)光不正常。4.LED焊接條件a)烙鐵焊接：烙鐵(最高30W)尖端溫度不超過300℃；焊接時間不超過3秒；焊接時間不超過3秒；焊接位置至少離膠體3毫米。b)浸焊：浸焊最高溫度260℃；浸焊時間不超過5秒；浸焊位置至少離膠體2毫米。6.LED安裝方法a)注意各類器件外線的排列，以防極性裝錯。器件不可與發(fā)熱元件靠得太近；b)務必不要在引腳變形的情況下安裝LED；c)當決定在孔中安裝時，計算好面孔及線路板上孔距的尺寸和公差以免支架受過度的壓力；d)安裝LED時，建議用導套定位；e)在焊接溫度回到正常以前，必須避免使LED受到任何的震動或外力。7.清洗

當用化學品清洗膠體時必須特別小心，因為有些化學品對膠體表面有損傷并引起褪色如三氯乙烯、丙酮等?？捎靡掖疾潦?、浸漬，時間在常溫下不超過3分鐘。照度E：發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量。單位：勒克斯(Lux)=流明Lm/面積m2。亮度L：發(fā)光體在特定方向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量。單位：尼脫(mcd)。光效：電光源將電能轉(zhuǎn)化為光的能力，以發(fā)出的光通量除以耗電量來表示。單位：每瓦流明(Lm/W)。平均壽命：指一批燈至50%的數(shù)量損壞時的小時數(shù)。單位：小時(h)。經(jīng)濟壽命：在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時數(shù)。室外的光源為70%，室內(nèi)的光源為80%。色溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，色溫在3000K以下有溫暖的感覺，達到穩(wěn)重的氣氛；色溫在3000K~5000K為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000K以上有冷的感覺。單位：K。顯色性：光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準光(太陽能)照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現(xiàn)物體本來的顏色，需使用顯色指數(shù)高的光源。單位：Ra。色表：是指人眼直接觀察光源時所看到的顏色。街道高壓鈉燈發(fā)出的光既亮且白，但當看到被照射的人的面孔時顯表灰色，這說明高壓鈉燈的色表并不差，但顯色性不好。眩光：視野內(nèi)有亮度極高的物體或強烈的亮度對比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質(zhì)量的重要因素。燈具效率:燈具效率(光輸出系數(shù))是衡量燈具利用能量效率的重要標準，它是燈具輸出的光通量與燈具內(nèi)光源輸出的光通量之間的比例。燈具的配光或光強分布：用曲線或表格表示燈具在空間各方向的光輸出強度分布值成為燈具的配光曲線或光分布曲線，它是表示燈具照明功能的重要特性參數(shù)。二、光色/色溫的應用第二部分、LED照明市場分析

LED照明市場目前的情況

2005年，中國LED的產(chǎn)量已經(jīng)達到262.1億只，市場規(guī)模更是突破百億元大關(guān)達到114.9億元。全球LED市場前景廣闊，吸引了諸多廠商參與LED新產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)，市場競爭日趨激烈。而LED在照明行業(yè)里也一直保持升溫狀態(tài)。LED在汽車行業(yè)的應用蒸蒸日上，全彩顯示屏、計算機顯示屏已經(jīng)普遍采用液晶顯示，LED大量用在情侶mp3、顯示屏、手機、機箱外殼。LED具有效率高、光線品質(zhì)好、省電、壽命長等特點，主要用于平面顯示領(lǐng)域、便攜式設備顯示器、照明以及紅外線LED領(lǐng)域等下游應用產(chǎn)品市場。與傳統(tǒng)的光源相比，LED光源體積小、重量輕、方向性好并且可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性，足以對傳統(tǒng)光源市場造成重大沖擊。隨著LED應用范圍的日趨擴大，LED的重要性已受到越來越多的注意。因而在全球市場上十分走俏?，F(xiàn)在，隨著各大媒體對LED的關(guān)注和人們更多的實際應用，大家對它的了解不斷加深；同時LED產(chǎn)品的種類變得更加豐富，在各領(lǐng)域中的應用也越來越廣泛，其市場前景一片廣闊。LED產(chǎn)業(yè)鏈勤上光電所在位置勤上光電所在位置勤上光電所在位置LED照明市場的需求、前景

LED應用市場規(guī)模持續(xù)擴大LED的應用領(lǐng)域已經(jīng)從最初簡單的電器指示燈、LED顯示屏發(fā)展到LCD背光源、景觀照明、室內(nèi)裝飾燈等其他領(lǐng)域。而由于LED具有的長壽命、無污染、低功耗的特性，未來LED還將逐步替代熒光燈、白熾燈成為下一代綠色照明光源。為此，美國、韓國、歐盟、中國臺灣都制定了適合各國國情的半導體照明計劃，大力推進LED燈進入普通照明燈具市場。

室內(nèi)照明將是LED最具市場規(guī)模和發(fā)展?jié)摿Φ膽谩?.顯示屏市場是LED的主要應用市場，全彩顯示屏增勢強勁

2.以手機應用為主的小尺寸背光源市場放緩，中大尺寸特別是7寸背光源將成為新的關(guān)注點

3.汽車車燈市場潛力大，但短期內(nèi)國內(nèi)市場很難啟動

4.室內(nèi)裝飾燈市場逐步啟動，交通燈置換高峰期即將過去市場進入平穩(wěn)增長期