发光二极管的技术与应用.docx

1、发光二极管的技术与应用目录绪论.2一、 LED的基本概况.31.1、 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.181.1.4、发光二极管的优点.19二、发光二极管在照明系统中的应用.212.1、照明方面.212.2、显示屏的广泛应用.242.3、汽车领域的应用.252.4、背光源.25三、发光二极管的发展前景.27参考文献.28绪论LED(Light Emitting Diode), 发光二极管, 是一种固体的半导体器件, 可以直接将电能

2、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

3、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 L

4、ED、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,

5、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LED Lamp(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5

6、 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3 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%、E

7、POXY（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 LED Lamp 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

8、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

9、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

10、 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（Epoxy Re

11、sin）、酸酐类（酸无水物 Anhydride）、高光扩散性填料（Light diffusion）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-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

12、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 m 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

13、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（HG 400 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1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED

14、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。IV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VVa，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 (e qVF/KT 1) -IS为反向饱和电流。V0 时，VVF 的正向工作区IF 随VF 指数上升，IF = IS e qVF/KT（3）反向死区 ：V0 时pn 结加反

15、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99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容 （零偏压）Cn+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1M

16、HZ 交流 信号用C-V 特性测试仪测得。LED CV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=UFIF. 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TjTa 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10-310-5S，CRT、PDP、LED 都达到10-610-7S（us 级）。1.响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与

17、熄灭所延迟的时间，即图3中tr 、 tf 。图中t0 值很小，可忽略。 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10-7 S。因此它们可用在10100MHZ 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

18、度其光学特性。42.1 发光法向光强及其角分布I2.1.1 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I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） 为获得高指向性的角分布（如图示） LED 管芯位置离模粒头远些； 使用圆锥状（子弹头）的模粒头； 封装的环氧树脂中勿加散射剂。采取上述措

19、施可使LED 21/2 = 6左右，大大提高了指向性。 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 LED 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 是蓝色InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰p = 460465nm； 是绿色GaP:N 的LED，发

20、光谱峰p = 550nm； 是红色GaP:Zn-O 的LED，发光谱峰p = 680700nm； 是红外LED 使用GaAs 材料，发光谱峰p = 910nm； 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p表示。只有单色光才有p 波长。 谱线宽度：在LED 谱线的峰值两侧处，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p-，p+ 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40 nm。 主波长：

21、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p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。52.3 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

22、恒流源大小有 关。目前单色LED 的光通量最大约1 lm，白光LED 的F1.51.8 lm（小芯片） ， 对于1mm1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。2.4 发光效率和视觉灵敏度 LED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。 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 = 555nm 处有一个最大值680 lm/w，若视觉灵敏度记为K，则发光能量P 与可见光通 量F 之间关系为P=Pd ； F=KPd

23、 发光效率量子效率=发射的光子数/pn 结载流子数=（e/hcI） Pd。若输入能量为W=UI，则发光能量效率P=P/W 若光子能量hc=ev， 则P，则总光通F=（F/P）P=KPW 式中K= F/P。 流明效率：LED 的光通量F/外加耗电功率W=KP 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 =ice，式中i 向为p、n

24、 结区少子注入效率，c 为在势垒区少子与 多子复合效率，e 为外部出光（光取出效率）效率。由于LED 材料折射率很高i3.6。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e 可采取以下措施： 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； 把芯片晶体表面加工成半球形； 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=2.42.6 的低熔点玻璃成分As-S(Se)-B

25、r(I)且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、 GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高46倍。62.5 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14108Nit。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

26、，c（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=BO e-t/，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=100010000，代入Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。长期以来总认为

27、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IF10mA，或者 1020 mA 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p 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

28、、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

29、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 G aN 的突破和蓝、绿、白