LED燈的特點及其發(fā)光原理

LED燈的特點及其發(fā)光原理一、LED的構(gòu)造及發(fā)光原理50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的根本學(xué)問，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，它的根本構(gòu)造是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)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LED的抗震性能好。p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，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(dāng)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(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)。二、LED光源的特點電壓：LED6-24V之間，依據(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削減80%LED3-5mm的正方形，所以可以制備成各種外形的器件，并且適合于易變的環(huán)境穩(wěn)定性：1050%響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間為納秒級對環(huán)境污染：無有害金屬汞顏色：轉(zhuǎn)變電流可以變色，發(fā)光二極管便利地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶構(gòu)造和帶隙，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，最終為綠色價格：LEDLED的價格就可以與一只白熾燈300～500只二極管構(gòu)成。三、單色光LED的種類及其進展歷史P-NLED2060GaAsP，發(fā)紅光〔λp=650nm〕，20毫安時，光通量只有千分之幾0.1流明/瓦。70年月中期，引入元素InNLED產(chǎn)生綠光〔λp=555nm〕，黃光〔λp=590nm〕和橙光〔λp=610nm〕，1流明/瓦。80GaAlAsLEDLED10流明/瓦。90GaAlInPGaInN兩種材料的開發(fā)成功，LED2023年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)〔λp=615nm〕100流明/LED在綠色區(qū)域〔λp=530nm〕的光效可以到達50流明/瓦。LED的應(yīng)用LEDLED在交通信號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)濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為1402023流明的白光。90%200流明的紅光。而在設(shè)計的燈中，Lumileds公18個紅色LED14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987燈，由于LED響應(yīng)速度快〔納秒級〕，可以及早讓跟隨車輛的司機知道行駛狀況，削減汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。LED的開發(fā)對于一般照明而言，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LEDGaN〔YAG〕GaN芯片發(fā)藍光〔λp=465nm，Wd=30nm〕，高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光放射，峰550nmLED基片安裝在碗形反射腔中，掩蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。LED基片發(fā)出的藍光局部被熒光粉吸取，另一局部藍光與熒光粉發(fā)出的黃光InGaN/YAGLEDYAG熒光粉的化學(xué)3500-10000K的各色白光。〔編輯李艷欣〕LED燈具特性LED〔Light-Emitting-Diode〕是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體，其特點如下：效率高依據(jù)通常的光效定義，LED的發(fā)光效率并不高〔10～30lm/W，目前LED55lm/W〕，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，效率可以到達80-90%，而光效差不多的白熾燈其可見光效率僅為10-20%。光線質(zhì)量高由于光譜中沒有紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射，LED屬于典型的綠色照明光源。光色純與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光線很純。能耗小單體D的功率一般在5～要，鋪張很少。尤其是需要彩色光的時候，承受白光經(jīng)過濾色的方式大費周折并且鋪張LED固有的彩色卻是得天獨厚。壽命長70%10萬小時，實際上幾乎無限。牢靠耐用沒有鎢絲、玻殼等等簡潔損壞的部件，非正常報廢的可能性很小，維護費用極為低廉。應(yīng)用敏捷體積小，可平面封裝易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品，做成點、線、面各種形式的具體應(yīng)用產(chǎn)品。安全1.5~5V20~70mA之間。響應(yīng)時間短適合于頻繁開關(guān)以及高頻運作的場合。綠色環(huán)保廢棄物可回收，沒有污染，不像熒光燈含有汞成分。掌握敏捷通過調(diào)整電流可以調(diào)光，不同光色的組合可以調(diào)色，加上時序掌握電路可以到達多樣的動態(tài)變化效果。第一講LED主要參數(shù)與特性特性和光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學(xué)特性。本文將為你具體介紹。1、LED電學(xué)特性I-V特性偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。如上圖：RLED其值不同，GaAs1VGaAsP為1.2V，GaP為1.8V，GaN2.5V。IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系IF=IS(eqVF/KT–1) ISV＞VFIFVF指數(shù)上升，IF=ISeqVF/KTpnVVRIR〔V-5V〕時，GaP0V，GaN10uA。V＜VR，VR稱為反向擊穿電壓；VRIR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓始終LED的VR也不同。C-V特性(280×280um)，12×12mil〔零偏壓〕C≈n+pf左右。C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系〔2〕1MHZC-V特性測試儀測得。PFmLEDIF、管壓降為UFP=UF×IFLED工作時，外加偏壓、偏流肯定促使時，〔功率〕，PKT〔TjTa〕。響應(yīng)時間LCD〔液晶顯示〕10-3~10-5S，、LED10-6~10-7S〔us級〕。LED3tr、tft0值很小，可無視。10%90%LED熄滅時間——tf10%所經(jīng)受的時間。Dss其響應(yīng)時間＜PS10~100MHZ高頻系統(tǒng)。LED光學(xué)特性發(fā)光二極管有紅外〔非可見〕與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來量度其光學(xué)特性。發(fā)光法向光強及其角分布Iθ〔法向光強LED90。當(dāng)偏離正法θ角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝外形而強度依靠角方向。IθLED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝〔包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否〕⑴為獲得高指向性的角分布〔4〕LED管芯位置離模粒頭遠些；〔子彈頭〕的模粒頭；LED2θ1/26左右，大大提高了指向性。⑵當(dāng)前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2角)LED：5°、10°、30°、45°。發(fā)光峰值波長及其光譜分布LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。pn結(jié)構(gòu)造〔外延層厚度、摻雜雜質(zhì)〕等有關(guān)，而與器件的幾何外形、封裝方式無關(guān)。LED光譜響應(yīng)曲線。其中550nm；λp680～700nm；Si光電二極管，通常作光電接收用。LED，都有一個相對光強度最強處〔光輸出最大〕，與之相對應(yīng)有一個波λpλp波長。處，存在兩個光強等于峰值〔最大光強度〕一半的點，此兩LED單色性的參數(shù)，LED40nm。LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀看到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色GaPLED長期工作，結(jié)溫上升而主波長偏向長波。光通量DD〔。LED1LEDF≈1.5~1.8小芯片1mm×1mmLED，F(xiàn)=18lm。發(fā)光效率和視覺靈敏度LED效率有內(nèi)部效率〔pn結(jié)四周由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率〕與外部效率〔輻射到外部的效率〕。前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射出光能量〔發(fā)光量〕與輸入電能之比，即發(fā)光效率。λ555nm680FP=∫Pλdλ；F=∫KλPλdλ——η=放射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=〔e/hcI〕∫λPλdλ。假設(shè)輸入能量為W=UI，ηP=P/Whc=ev，則η≈ηP，則總光通F=〔F/P〕P=KηPWKF/P。W=KηP的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。LED流明效率〔可見光發(fā)光效率〕：LED要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高。事實上，LED向pn為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，ηe為外部出光〔光取出效率〕效率。LEDηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時〔無環(huán)氧封裝〕假設(shè)垂直入射，32%，鑒于晶體本身對光有相當(dāng)一局部ηe可實行以下措施：〔n=1.55并不抱負〕掩蓋在芯片外表；n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分GaAs、GaAsP、GaAlAsLED4~6倍。發(fā)光亮度cd/m2Nit。〔尼特〕，14×108Nit。LEDLED，JO〔電流密度〕BO也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度上升，ηc〔復(fù)合效率〕下降，BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫上升，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。壽命Bt=BOe-t/τ，Btt時間后的亮度，BO為初始亮度。Bt=1/2BOtt要花很長的時間，通常以推算求得壽命。~104BO，Bt=1000~10000，代Bt=BOe-t/τ求出τBt=1/2BOt。LED106LEDIF=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，LED的