发光二极管的技术与应用.docx

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发光二极管的技术与应用

目录

绪论.....................................................2

一、LED的基本概况......................................3

1.1、发光二极管的简介..................................3

1.1.1、发光二极管的结构..............................3

1.1.2、发光原理......................................8

1.1.3、发光二极管的特性与参数........................9

（1）、LED电学特性.................................9

（2）、LED光学特性................................12

（3）、热学特性.....................................18

1.1.4、发光二极管的优点..............................19

二、发光二极管在照明系统中的应用.........................21

2.1、照明方面...........................................21

2.2、显示屏的广泛应用...................................24

2.3、汽车领域的应用.....................................25

2.4、背光源.............................................25

三、发光二极管的发展前景..................................27

参考文献.................................................28

绪论

LED（LightEmittingDiode）,发光二极管,是一种固体的半导体器件,可以直接将电能转换成光的半导体器件。

LED光源的核心是一个半导体晶片,半导体P-N结在正向电流的作用下,N区的电子被推入P区,与P区的多子“空穴”发生复合,能量以光子的形式释放出来,这便是LED的发光原理。

[1]

伴随着LED光源在奥运会和世博会举办过程中大展风采,LED照明飞跃式的发展引起了越来越多人的关注,人们对LED照明技术的前景更加充满希望。

LED照明早已成为照明行业的焦点,并且在最近十年取得了长足的发展，LED照明逐渐取代传统照明灯具的时代已经到来。

尤其是在国际能源紧张、寻找解决未来能源问题答案成为各国头等大事的今天,LED照明以其发光效率高、低能耗、低热童、无污染、寿命长、经济性好等诸多优点引领“绿色照明”的新风向,成为了国内外照明行业的发展趋势。

论文分为以下三个部分:

首先,简要地介绍了半导体照明技术的历史与发展!

LED的原理和关键技术以及特性参数等问题,并阐明了发光二极管的优点。

其次,详细介绍了发光二极管在照明系统中的应用。

最后，介绍了发光二极管的发展前景。

第一章LED的基本概况

1.1、发光二极管简介

发光二极管（LED）是一种电致发光的光电器件。

早在1907年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。

到今天,LED已生产了30多年,回顾过去,它已茁壮成长。

各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品（如白光LED驱动器）发展迅速,新产品不断上市,已发展成不少新型产业LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。

随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为被看好的市场以及大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的大潜力商品。

展望将来,还期望更进一步地提高。

早期的LED主要用于做指示灯。

它的发光强度不高,一般小于1mcd,高的也仅几个mcd;另外,发光效率也不高,一般小于0.21m/W,其功率仅几十mW到上百个mW（属于小功率LED）。

1.1.1、发光二极管的结构

LEDLamp（led灯）主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。

一、支架：

1）、支架的作用：

用来导电和支撑。

2）、支架的组成：

支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。

3）、支架的种类：

带杯支架做聚光型，平头支架做大角度散光型的Lamp。

A、2002杯/平头：

此种支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其Pin长比其他支架要短10mm左右。

Pin间距为2.28mm

B、2003杯/平头：

一般用来做φ5以上的Lamp，外露pin长为+29mm、-27mm。

Pin间距为2.54mm。

C、2004杯/平头:

用来做φ3左右的Lamp，Pin长及间距同2003支架。

D、2004LD/DD：

用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线，杯较深。

E、2006：

两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。

F、2009：

用来做双色的Lamp，杯内可固两颗晶片，三支pin脚控制极性。

G、2009-8/3009：

用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支pin脚。

二、银胶

银胶的作用：

固定晶片和导电的作用。

银胶的主要成份：

银粉占75-80%、EPOXY（环氧树脂）占10-15%、添加剂占5-10%。

银胶的使用：

冷藏，使用前需解冻并充分搅拌均匀，因银胶放置长时间后，银粉会沉淀，如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。

三、晶片（Chip）：

发光二极管和LED芯片的结构组成

1）、晶片的作用：

晶片是LEDLamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。

2）、晶片的组成：

晶片是采用磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。

3）、晶片的结构：

焊单线正极性（P/N结构）晶片，双线晶片。

晶片的尺寸单位：

mil。

晶片的焊垫一般为金垫或铝垫。

其焊垫形状有圆形、方形、十字形等。

4）、晶片的发光颜色：

晶片的发光颜色取决于波长，常见可见光的分类大致为：

暗红色（700nm）、深红色（640-660nm）、红色（615-635nm）、琥珀色（600-610nm）、黄色（580-595nm）、黄绿色（565-575nm）、纯绿色（500-540nm）、蓝色（450-480nm）、紫色（380-430nm）。

白光和粉红光是一种光的混合效果。

最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。

5）、晶片的主要技术参数：

A、晶片的伏安特性图：

B、顺向电压（VF）：

施加在晶片两端，使晶片正向导通的电压。

此电压与晶片本身和测试电流存在相应的关系。

VF过大，会使晶片被击穿。

C、顺向电流（IF）：

晶片在施加一定电压后，所产生的正向导通电流。

IF的大小，与顺向电压的大小有关。

晶片的工作电流在10-20mA左右。

D、逆向电压（VR）：

施加在晶片上的反向电压。

E、逆向电流（IR）：

是指晶片在施加反向电压后，所产生的一个漏电流。

此电流越小越好。

因为电流大了容易造成晶片被反向击穿。

F、亮度（IV）：

指光源的明亮程度。

单位换算：

1cd=1000mcd

G、波长：

反映晶片的发光颜色。

不同波长的晶片其发光颜色也就不同。

单位：

nm

H、光：

是电磁波的一种。

波长在0.1mm-10nm之电磁波称为光。

光可分为：

波长大于0.1mm称为电波；760nm-0.1nm叫红外光;380nm-760nm叫可见光;10nm-380nm叫紫外光；波长小于10nm的是X线光。

四、金线：

金线的作用：

连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。

金线的纯度为99.99%Au；延伸率为2-6%，金线的尺寸有：

0.9mil、1.0mil、1.1mil等。

五、环氧树脂：

环氧树脂的作用：

保护Lamp的内部结构，可稍微改变Lamp的发光颜色，亮度及角度；使Lamp成形。

封装树脂包括：

A胶（主剂）、B胶（硬化剂）、DP（扩散剂）、CP（着色剂）四部份组成。

其主要成分为环氧树脂（EpoxyResin）、酸酐类（酸无水物Anhydride）、高光扩散性填料（Lightdiffusion）及热安定性染料（dye）

六、模条：

模条是Lamp成形的模具，一般有圆形、方形、塔形等。

支架植得深浅是由模条的卡点高低所决定。

模条需存放在干净及室温以下的环境中，否则会影响产品外观不良。

[2]

1.1.2、发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：

另外还有多色、变色发光二极管等等。

[3]

附发光二极管在电路中的符号及LED发光原理图。

图一

1.1.3、发光二极管的特性与参数

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

1.1I-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。

I—V特性曲线

如上图：

（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。

1.2C-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。

LEDC—V特性曲线

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3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。

（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。

[4]

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（如图示）

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

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。

[5]

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）：

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。

[6]

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，ηc（复合效率）下降，BO减小。

当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。

2.6寿命

老化：

LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。

器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=BOe-t/τ，Bt为t时间后的亮度，BO为初始亮度。

通常把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t称为二极管的寿命。

测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。

测量方法：

给LED通以一定恒流源，点燃103~104小时后，先后测得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。

长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在IF=20mA下。

随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。

如LED的光衰减为原来35%，寿命＞6000h。

（3）、热学特性

LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。

一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20mA长时间连续点亮LED温升不明显。

若环境温度较高，LED的主波长或λp就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。

LED的主波长随温度关系可表示为：

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。

这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。

1.1.4、发光二极管的优点

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。

一、体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。

二、耗电量低

LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。

工作电流是0.02-0.03A。

这就是说：

它消耗的电能不超过0.1W。

三、使用寿命长

在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。

四、高亮度、低热量

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

五、环保

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

六、坚固耐用

LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。

[7]

第二章、发光二极管在照明系统中的应用

LED的应用领域非常广，覆盖了照明、显示屏、汽车、背光源、电子设备等诸多领域。

2.1、照明方面

目前LED在照明方面的应用是最能体现其节能性能的。

LED照明可分为光色照明、特殊照明以及普通照明。

现阶段，半导体照明主要集中于景观照明、装饰照明为主的光色照明和矿灯、军用灯具、汽车车灯为主的特殊照明中。

2.1.1室内照明

刚刚在京举行的2006中国（北京）第七届国际照明电器博览会，我们看到，在国内外各大照明厂商的展台上，LED照明光源是被主推的新产品。

LED是使用半导体材料制成的一种无灯丝的灯，是一种新型的冷光源，被誉为"代表照明技术的未来"。

随着第3代半导体材料GaN的突破和蓝、绿、白