发光二极管 相关知道doc.docx

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发光二极管相关知道doc

发光二极管（LightEmittingDiode,LED），是一種半導體元件。

初時多用作為指示燈、顯示板等；隨著白光LED的出現，也被用作照明。

它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法與之比較的优点。

加正向电压时，發光二極體能發出單色、不连续的光，這是電致發光效应的一種。

改变所采用的半導體材料的化学组成成分，可使發光二極體發出在近紫外線、可見光或红外線的光。

1955年，美国无线电公司（RadioCorporationofAmerica）的鲁宾·布朗石泰（RubinBraunstein）（1922年生）首次发现了砷化鎵（GaAs）及其他半導體合金的红外放射作用。

1962年，通用電氣公司的尼克·何伦亚克（NickHolonyakJr.）（1928年生）開發出第一种实际应用的可见光发光二极管

發光二極管是一種特殊的二極管。

和普通的二極管一樣，发光二极管由半导体晶片组成，这些半导体材料会预先通过注入或掺杂等工艺以产生pn结结构。

与其它二极管一样，发光二极管中電流可以輕易地從p极（阳極）流向n极（負極），而相反方向則不能。

兩種不同的載流子：

空穴和電子在不同的电极电压作用下从电极流向pn结。

當空穴和電子相遇而产生复合，電子會跌落到較低的能階，同时以光子的方式釋放出能量。

它所發出的光的波長，及其顏色，是由组成pn结的半導體物料的禁带能量所決定。

由于硅和鍺是间接禁带材料，在这些材料中电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二極體不能發光。

發光二極體所用的材料都是直接禁带型的，这些禁带能量对应着近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

在發展初期，採用砷化鎵（GaAs）的發光二極體只能發出紅外線或紅光。

隨著材料科學的進步，人们已经制造出可發出更短波長的、各種顏色的發光二極管。

以下是傳統發光二極管所使用的无机半導體物料和所它們發光的顏色：

∙铝砷化稼（AlGaAs）-紅色及紅外線

∙铝磷化稼（AlGaP）-綠色

∙aluminiumgalliumindiumphosphide（AlGaInP）-高亮度的橘紅色，橙色，黃色，綠色

∙磷砷化稼（GaAsP）-紅色，橘紅色，黃色

∙磷化稼（GaP）-紅色，黃色，綠色

∙氮化鎵（GaN）-綠色，翠綠色，藍色

∙铟氮化稼（InGaN）-近紫外線，藍綠色，藍色

∙碳化硅（SiC）（用作衬底）-藍色

∙硅（Si）（用作衬底）-藍色（開發中）

∙蓝宝石（Al2O3）（用作衬底）-藍色

∙zincselenide（ZnSe）-藍色

∙鑽石（C）-紫外線

∙氮化鋁（AlN）,aluminiumgalliumnitride（AlGaN）-波長為遠至近的紫外線

藍光與白光LED

1993年，当时在日本NichiaCorporation（日亞化工）工作的中村修二（ShujiNakamura）发明了基于宽禁带半导体材料氮化稼（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的具有商業应用價值的藍光LED，这类LED在1990年代後期得到广泛应用。

理論上藍光LED結合原有的紅光LED和綠光LED可产生白光，但現在的白光LED卻很少是這樣造出來的。

現時生產的白光LED大部分是通过在藍光LED（波長450nm至470nm）上覆蓋一层淡黃色磷光體塗層制成的，這種黃色磷光體通常是通过把摻了鈰的YttriumAluminumGarnet（Ce3+:

YAG）晶體磨成粉末後混和在一種稠密的黏合劑中而制成的。

當LED晶片發出藍光，部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個光譜較寬（光谱中心约为580nm）的主要為黃色的光。

（實際上單晶的摻Ce的YAG被視為閃爍器多於磷光體。

）由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受體，再混合LED本身的藍光，使它看起來就像白色光，而其的色澤常被稱作“月光的白色”。

這種製作白光LED的方法是由NichiaCorporation所開發並从1996年开始用在生產白光LED上。

若要調校淡黃色光的顏色，可用其他稀土金屬鋱或釓取代Ce3+:

YAG中摻入的鈰（Ce），甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的方式做到。

而基於其光譜的特性，紅色和綠色的物件在這種LED照射下看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明。

另外由於生產條件的變異，這種LED的成品的色溫並不統一，從暖黃色的到冷的藍色都有，所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。

另一個製作的白光LED的方法則有點像日光燈，發出近紫外光的LED會被塗上兩種磷光體的混合物，一種是發紅光和藍光的銪，另一種是發綠光的，摻雜了硫化鋅（ZnS）的銅和鋁。

但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂的質量變壞，所以生產難度較高，而壽命亦較短。

與第一種方法比較，它效率較低而產生較多熱（因為StokesShift前者較大），但好處是光譜的特性較佳，產生的光比較好看。

而由於紫外光的LED功率較高，所以其效率雖比較第一種方法低，出來的亮度卻相若。

最新一種製造白光LED的方法沒再用上磷光體。

新的做法是在硒化鋅（ZnSe）基板上生長硒化鋅的磊晶層。

通電時其活躍地帶會發出藍光而基板會發黃光，混合起來便是白色光。

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其他顏色

近期開發出來的LED顏色包括粉紅色和紫色，都是在藍光LED上覆蓋上一至兩層的磷光體造成。

粉紅色LED用的第一層磷光體能發黃光，而第二層則發出橙色或紅色光。

而紫色LED用的磷光體發橙色光。

另外一些粉紅色LED的製造方法則存在一定的問題，例如有些粉紅色LED是在藍光LED塗上螢光漆或指甲油，但它們有機會剝落；而有些則用上白光LED加上粉紅色磷光體或染料，可是在短時間內顏色會褪去。

價錢方面，紫外線、藍色、純綠色、白色、粉紅色和紫色LED是較紅色、橙色、綠色、黃色、紅外線LED貴的，所以前者在商業用途上比較遜色。

發光二極體是封裝在塑料透鏡內的，比使用玻璃的燈泡或日光燈更堅固。

而有時這些外層封裝會被上色，但這只是為了裝飾或增加對比度，實質上並不能改變發光二極體發光的顏色。

1．发光二极管的作用发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接将电能转变成光能的发光显示器件。

当其内部有一定电流通过时，它就会发光。

图4-21是共电路图形符号。

  发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。

它广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中、作电源指示或电平指示。

2．发光二极管的分类发光二极管有多种分类方法。

按其使用材料可分为磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷化镓（GaAs）发光二极管、磷铟砷化镓（GaAsInP）发光二极管和砷铝化镓（GaAlAs）发光二极管等多种。

按其封装结构及封装形式除可分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装、树脂封装和无引线表面封装外，还可分为加色散射封装（D）、无色散射封装（W）、有色透明封装（C）和无色透明封装（T）。

按其封装外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种，图4-22为几种发光二极管的外形。

塑封发光二极管按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、橙色、浅蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等多种。

而圆形发光二极管的外径从¢2~¢20mm，分为多种规格。

按发光二极管的发光颜色又可人发为有色光和红外光。

有色光又分为红色光、黄色光、橙色光、绿色光等。

另外，发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。

3．普通单色发光二极管普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。

它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。

红色发光二极管的波长一般为650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650nm，橙色发光二极管的波长一般为610~630nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570nm。

常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和SLC系列等。

4．高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。

通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。

5．变色发光二极管变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。

变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。

变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。

常用的双色发光二极管有2EF系列和TB系列，常用的三色发光二极管有2EF302、2EF312、2EF322等型号， 

6．闪烁发光二极管闪烁发光二极管（BTS）是一种由CMOS集成电路和发光二极管组成的特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示。

闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压（5V）即可闪烁发光。

7．电压控制型发光二极管普通发光二极管属于电流控制型器件，在使用时需串接适当阻值的限流电阻。

电压控制型发光二极管（BTV）是将发光二极管和限流电阻集成制作为一体，使用时可直接并接在电源两端。

电压控制型发光二极管的发光颜色有红、黄、绿等，工作电压有5V、9V、12V、18V、19V、24V共6种规格。

8．红外发光二极管红外发光二极管也称红外线发射二极管，它是可以将电能直接转换成红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发射电路中。

其外形图见图4-29。

红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。

红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。

引线为正极，另—种的短引线为正极。

电源电压一般为3~5V（也有的为3~4．5V）。

闪烁发光二极管是一种光—电结合的产品，闪烁发光二极管由一块IC电路和一只发光二极管相联，然后用环氧树脂全包封而成。

其中振荡器产生一个频率为f0的信号，经过几级分频器分频后，获得一个频率为1．3—5．2Hz范围中的某一固定频率fBL，再由输出驱动级进行电流放大，输出一个足够大的驱动电流，使得闪烁发光二极管处于工作状态。

使用时，无需外接任何元件，只要在两只引出脚上加一定电压，即可自行产生闪烁光，其闪烁频率为1．3—5．2Hz。

使用时要分清闪烁发光二极管的正、负极性，一般引线长的为正极引线。

闪烁发光二极管系列采用令Φ5mm环氧全包封形式，具有较强的视感觉，颜色有红、橙、黄、绿4种，其主要参数见表。

表中4种闪烁发光管的极限参数值是相同的：

功耗尸PM为200mW，正向电压UFM为7V，正向电流IFM为45mA。

反向电压UR为0．4V，工作温度Ta为-40℃~+85℃，储存温度T为-55℃~100℃。

国产闪烁发光二极管主要技术参数名称

工作电压                正向电流                    反向漏电                             闪烁频率

占空比                    发光强度                     发光峰值波长             颜色                      符号

（3）使用注意事项

①使用时要分清闪烁发光二极管的正、负极性，不得接反。

②一般使用时，工作电压为5V。

③不要与线路中发热元件靠近。

④焊接时要小心，焊接温度不宜过高，应使用镊子夹住引线根部，帮助散热。

⑤焊接过程中，管体不应受力，引线根部不允许弯曲，焊接点应远离管子本体。

闪烁发光二极管的接线简单，使用非常方便，可广泛用作光报警电路，例如构成温度、压力、液位的越限报警器，还可制作节日彩灯、电子胸花。

若配上按钮开关，还可制成多路病床呼唤器、换向指示器等。

发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。

当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。

发光二极管在制作时，使用的材料有所不同，那么就可以发出不同颜色的光。

发光二极管的发光颜色有：

红色光、黄色光、绿色光、红外光等。

发光二极管的外形有：

圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。

常用的发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。

使用LED作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和LED所需工作电流来选择。

发光二极管的压降一般为1.5~2.0V，其工作电流一般取10~20mA为宜。

发光二极管主要参数与特性

LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。

它具备pn结结型器件的电学特性：

I-V特性、C-V特性和光学特性：

光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。

1、LED电学特性

1.1 I-V特性 表征LED芯片pn结制备性能主要参数。

LED的I-V特性具有非线性、整流性质：

单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

如左图：

（1）正向死区：

（图oa或oa′段）a点对于V0为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。

（2）正向工作区：

电流IF与外加电压呈指数关系

IF=IS（eqVF/KT–1）  -------------------------IS为反向饱和电流。

V＞0时，V＞VF的正向工作区IF随VF指数上升  IF=ISeqVF/KT   

（3）反向死区：

V＜0时pn结加反偏压

V=-VR时，反向漏电流IR（V=-5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。

（4）反向击穿区V＜-VR，VR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为反向漏电流。

当反向偏压一直增加使V＜-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。

由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。

1.2 C-V特性

鉴于LED的芯片有9×9mil（250×250um），10×10mil，11×11mil（280×280um），12×12mil（300×300um），故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。

C-V特性呈二次函数关系（如图2）。

由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。

1.3最大允许功耗PFm

当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IF

LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。

若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P=KT（Tj–Ta）。

1.4响应时间

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。

现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S（us级）。

①响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中tr、tf。

图中t0值很小，可忽略。

②响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。

LED的点亮时间——上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。

LED熄灭时间——下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间＜10-9S，GaP为10-7S。

因此它们可用在10~100MHZ高频系统。

发光二极管主要参数与特性    

2 LED光学特性

发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

2.1发光法向光强及其角分布Iθ

2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。

LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：

位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。

当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。

发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。

2.1.2  发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。

它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）

⑴ 为获得高指向性的角分布（如图1）

①LED管芯位置离模粒头远些；

②使用圆锥状（子弹头）的模粒头；

③封装的环氧树脂中勿加散射剂。

采取上述措施可使LED2θ1/2=6°左右，大大提高了指向性。

⑵当前几种常用封装的散射角（2θ1/2角）

圆形LED：

5°、10°、30°、45°

2.2发光峰值波长及其光谱分布

⑴LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。

当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。

LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。

其中

LED 光谱分布曲线

 1蓝光InGaN/GaN   2绿光GaP:

N     3红光GaP:

Zn-O

4红外GaAs       5Si光敏光电管   6标准钨丝灯

①是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰λp=460～465nm；

②是绿色GaP:

N的LED，发光谱峰λp=550nm；

③是红色GaP:

Zn-O的LED，发光谱峰λp=680～700nm；

④是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰λp=910nm；

⑤是Si光电二极管，通常作光电接收用。

由图可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。

只有单色光才有λp波长。

⑵谱线宽度：

在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。

半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40nm。

⑶主波长：

有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。

为此描述LED色度特性而引入主波长。

主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。

单色性越好，则λp也就是主波长。

如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。

2.3光通量

 光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。

F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。

随着电流增加，LED光通量随之增大。

可见光LED的光通量单位为流明（lm）。

LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。

目前单色LED的光通量最大约1lm，白光LED的F≈1.5~1.8lm（小芯片），对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18lm。

2.4发光效率和视觉灵敏度

①LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。

前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。

LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。

②视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。

人的视觉灵敏度在λ=555nm处有一个最大值680lm/w。

若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P与可见光通量F之间关系为 P=∫Pλdλ  ； F=∫KλPλdλ

③发光效率——量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数=（e/hcI）∫λPλdλ

 若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W

 若光子能量hc=ev,则η≈ηP，则总光通F=（F/P）P=KηPW式中K=F/P

④流明效率：

LED的光通量F/外加耗电功率W=KηP

它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。

以下列出几种常见LED流明效率（可见光发光效率）：

LED

发光颜色

λp

（nm）

材料

可见光发光效率（lm/w）

外量子效率

最高值

平均值

红光

700

660

650

GaP:

Zn-O

GaAlAs

GaAsP

2.4

0.27

0.38

12

0.5

0.5

1~3

0.3

0.2

黄光

590

GaP:

N-N

0.45

0.1

绿光

555

GaP:

N

4.2

0.7

0.015~0.15

蓝光

465

GaN

10

白光

谱带

GaN+YAG

小芯片1.6，

大芯片18

 品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。

事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为

η=ηiηcηe，式中ηi向为p、n结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光（光取出效率）效率。

由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。

当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

 为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施：

①用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面；②把芯片晶体表面加工成半球形；

③用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。

有人曾经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S（Se）-Br（I）]且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。

2.5发光亮度

 亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。

其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2或Nit。

若光源表面是理想漫反射面，亮度BO与方向无关为常数。

晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。

 LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO也近似增大。

另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，