LED完全手冊(cè)精

1、LED 完全手冊(cè)一、LED的結(jié)構(gòu)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)生光線的基本知識(shí)，第一個(gè)商用二極 管產(chǎn)生于I960年。LED是英文light emitting diode （發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)，它的 基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料， 置于一個(gè)有引線的架子上， 然后四周用 環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以 LED 的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由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(gè)過(guò)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(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出 來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)

2、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(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)， 半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線， 通常被用在電子器具來(lái)顯示 電路是否關(guān)閉或打開(kāi)的指示燈 , 光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。透明的環(huán)氧半導(dǎo)體晶片 LED 環(huán)氧圍封下伸出的那兩條線或者 "燈泡"顯示出 LED 應(yīng)怎樣加連接到電路 ,LED 導(dǎo)線的負(fù)極是以兩種方法來(lái)顯示 ,一種是由燈泡 的平面 ,第二種是兩條線當(dāng)中短的那條線 ,負(fù)極導(dǎo)線應(yīng)連接到電池負(fù)端 ,LED 運(yùn)行 電壓

3、相對(duì)很低大約只有 1 到4伏電壓,吸取的電流也大約只有 10到40毫安.發(fā)光 二極管最重要的一部分就是在燈泡中央的半導(dǎo)體晶片 ,晶片有兩個(gè)由接口分離的 區(qū)域,P區(qū)域是由正電荷控制，而n區(qū)域是由負(fù)電荷控制，這個(gè)接口充當(dāng)了 P和n電 子流動(dòng)的擋板 ,只有當(dāng)半導(dǎo)體晶片的電壓足夠時(shí) ,電流才開(kāi)時(shí)流動(dòng)和電子穿過(guò)接口 進(jìn)入到 P 區(qū)域,什么使 LED 發(fā)出光和什么決定了發(fā)光二的顏色當(dāng)足夠的電壓到達(dá)晶片穿過(guò)發(fā)光二極管的導(dǎo)線，電子就非常容易的在P和N 的區(qū)域穿過(guò)分隔處，在P區(qū)域正電荷比負(fù)電荷要多很多，在n區(qū)域中的電子比正電 荷多，當(dāng)電壓和電流開(kāi)始流動(dòng)，在N區(qū)域的電子就有足夠的能源移動(dòng)穿過(guò)分隔處進(jìn) 入P區(qū)域，由

4、于共有的庫(kù)侖力的正負(fù)電荷之間的互相吸引P區(qū)域電子立即吸引到正電荷，當(dāng)電子足夠的移動(dòng)到與P區(qū)域的正電荷的接近，這兩種電荷就"重新結(jié)合" 每次電子和正電荷結(jié)合時(shí) ,電位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍?,每次正負(fù)電荷的重新結(jié)合時(shí) ,電 磁能的量子以半導(dǎo)體材料的頻率特性的光電形式發(fā)出 （通常是鎵 ,砷和磷的化學(xué)元 素結(jié)合）只有當(dāng)光量子在非常狹的頻率范圍內(nèi)才可以發(fā)射光不同的半導(dǎo)體材料使 發(fā)光二極管發(fā)出不同的顏色和需要不同的能量去使它們變亮 .發(fā)光二極管發(fā)出的能量有多少所需的電壓引起電子流動(dòng)穿過(guò) P-n 分隔處和電能是同恒量的 ,不同顏色的發(fā) 光二極管發(fā)出單色的顯眼光，發(fā)光二極管發(fā)出光的能量（E）是和

5、電子電荷（q）有關(guān) 和所需的電壓（V）使發(fā)光二極管發(fā)光E = qV焦耳,這個(gè)公式簡(jiǎn)單的說(shuō)明了電壓和 電能是同恒量的.恒量q是指一個(gè)單電子的電荷-1.6 x 10-19庫(kù)侖（電量單位）找出來(lái)自電壓的能量假如測(cè)量流過(guò)發(fā)光二極管導(dǎo)線的電壓,你希望找出使發(fā)光二極管發(fā)出光所需的相應(yīng)能量.比如說(shuō)發(fā)紅光的發(fā)光二極管和所測(cè)電壓和導(dǎo)線是1.7伏,那么使二極管發(fā)光所需的能量是 E = qV 或者 E = -1.6 x 10-19 （1.71） 焦耳找出波長(zhǎng)或頻率光的頻率和光的波長(zhǎng)有關(guān)聯(lián) ,分光儀可以用來(lái)檢查由發(fā)光二極管發(fā)出的光和估 計(jì)由 LED 發(fā)出光的最高峰值 .但我們更喜歡檢測(cè)由 LED 所發(fā)出的光強(qiáng)度 ,.

6、C 是代 表光的速度（3 x 108 米每秒）而是代表由分光儀讀取的光波長(zhǎng) （以納米或 10-9 米 為單位）.假如你從分光儀器中觀察發(fā)紅光的二極管 ,你會(huì)發(fā)現(xiàn) LED 發(fā)出的最高的 強(qiáng)度顏色范圍和從分光儀讀取的波長(zhǎng)是相符合的 = 660 nm or 660 x 10-9 m.二、LED 光源的特點(diǎn)1. 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(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少 80%3. 適用性：很小，每個(gè)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

7、的環(huán)境4. 穩(wěn)定性： 10 萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的 50%5. 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)， LED 燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)6. 對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過(guò)化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)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8. 價(jià)格： LED 的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只 LED 的價(jià)格就可以與一只 白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上 300500只二極管構(gòu)成。三、單色光 LED 的種類及其發(fā)展歷史最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問(wèn)世于20世

8、紀(jì)60年代初。 當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（入p=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光 通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約 0.1 流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N,使LED產(chǎn)生綠光（入p=555nm）,黃光（入 p=590nm）和橙光（入p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了 80 年代初，出現(xiàn)了 GaAlAs 的 LED 光源，使得紅色 LED 的光效達(dá)到 10 流明 /瓦。90 年代初，發(fā)紅光、黃光的 GaAlInP 和發(fā)綠、藍(lán)光的 GaInN 兩種新材料的 開(kāi)發(fā)成功，使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2000年，前者做成的 LED 在 紅、橙區(qū)（

9、入p=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū) 域（入p=530nm）的光效可以達(dá)到50流明/瓦。四、單色光 LED 的應(yīng)用最初 LED 用作儀器儀表的指示光源， 后來(lái)各種光色的 LED 在交通信號(hào)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(jì)效益和社會(huì)效益。以 12 英寸的紅色交通信號(hào)燈為例， 在美國(guó)本來(lái)是采用長(zhǎng)壽命， 低光效的 140 瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生 2000 流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失 90%， 只剩下 200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中， Lumileds 公司采用了 18個(gè)紅色 LED 光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電 14 瓦，即可產(chǎn)生

10、同樣的光效。汽車信號(hào)燈也是 LED 光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。 1987 年，我國(guó)開(kāi)始在汽車上安 裝高位剎車燈，由于 LED 響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），可以及早讓尾隨車輛的司機(jī)知 道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外， LED 燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得 到了應(yīng)用。五、白光 LED 的開(kāi)發(fā)對(duì)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(kāi)發(fā)成 功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片 發(fā)藍(lán)光（入p=465nm, Wd=30nm）,高溫?zé)Y(jié)制成的含 Ce3+的YAG熒光粉受此 藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550n

11、m。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中， 覆蓋以混有 YAG 的樹(shù)脂薄層,約 200-500nm。 LED 基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒 光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對(duì) 于 InGaN/YAG 白色 LED ，通過(guò)改變 YAG 熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的 厚度，可以獲得色溫 3500-10000K 的各色白光。目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍(lán)光單晶片加上 YAG 黃色熒光粉，其最好的發(fā) 光效率約為 25 流明/瓦， YAG 多為日本日亞公司的進(jìn)口，價(jià)格在 2000元/公斤； 第二種是日本住友電工亦開(kāi)發(fā)出以 ZnSe為材料的白光LED，不過(guò)發(fā)光效率較差。某些種類

12、的白色 LED 光源離不開(kāi)四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍(lán)粉 和石榴石結(jié)構(gòu)的黃色粉， 在未來(lái)較被看好的是三波長(zhǎng)光， 即以無(wú)機(jī)紫外光晶片加 R.G.B 三顏色熒光粉，用于封裝 LED 白光，預(yù)計(jì)三波長(zhǎng)白光 LED 今年有商品化 的機(jī)機(jī)會(huì)。 但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小， 穩(wěn)定性要求也高， 具體應(yīng)用 方面還在探索之中。六、LED 壽命的理解LED 的使用壽命，一般認(rèn)為在理想狀態(tài)下一般認(rèn)為有 10 萬(wàn)小時(shí)。但在實(shí) 際在使用過(guò)程中其光強(qiáng)會(huì)隨使用時(shí)間的推移逐漸衰減， 光效率逐漸降低。 把光強(qiáng) 衰減到初始光強(qiáng)的 70%以下時(shí)定為壽命終止， 就目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)有明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 用來(lái)衡量。而且 LED 的

13、使用壽命與其芯片的本身的質(zhì)量及其封裝技術(shù)、工藝有 直接關(guān)系，某些芯片在 20mA 條件下連續(xù)點(diǎn)亮 4000 小時(shí)后其光亮度衰減已達(dá)50%。但是隨著技術(shù)、工藝的提高，光衰時(shí)間越來(lái)越緩慢，即壽命也越長(zhǎng)。七、 LED 的節(jié)能及可 *性LED 光源LED 是電流控制元件，通過(guò)流過(guò)的電流，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，因其不存?摩擦損耗和機(jī)械損耗，所以在節(jié)能方面比一般的光源的效率高，但是 并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓， 它必須配置一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換 裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常工作，即 LED 專用電源。但是 各種不同的 LED 電源其性能和轉(zhuǎn)換效率各不相同，所以選擇合適、高效的 LED

14、 專用電源，才能真正體現(xiàn) LED 光源高效特性。因?yàn)榈托实?LED 電源本身就 需要消耗大量電能，在配合 LED 的使用過(guò)程中根本就體現(xiàn)不出 LED 的高效節(jié) 能特性。而且 LED 電源也必須是高可 * 性電源，才能保證 LED 光源系統(tǒng)長(zhǎng)壽命。八、 LED 的基本特性及使用時(shí)的注意事項(xiàng)1常見(jiàn)的 LED 電性能參數(shù)（ 1） LED 正向電壓之間。對(duì)于同種顏色的 LED ，不同顏色的 LED 在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值， 紅、黃色： 1.82.5V 之間，綠色和藍(lán)色： 2.74.0V 其正向壓降和光強(qiáng)也不是完全一致的。如下表：正向電壓 VF亮度 Iv(mcd)發(fā)光顏色外觀

15、顏色波長(zhǎng)入D（nm）IF=20mA紅色水透明6456601.82.550300黃綠色水透明5705751.82.550300黃色水透明5855901.82.55005000藍(lán)色水透明4554752.74.05007000綠色水透明5155352.74.0200010000白色水透明- 2.74.0300015000Max.Min.在同一電路中應(yīng)該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、 光強(qiáng)范圍小 的 LED 。只有這樣才能保證 LED 的發(fā)光效果一致。 其具體的電性參數(shù)可依各封 裝廠每包裝提供的產(chǎn)品分光參數(shù)標(biāo)簽值。 （有些公司每批分選都不一致） （ 2） LED 的額定工作電流LED的額定電

16、流各不相同，普通的LED電流一般為20mA，大功率的LED 電流一般為 40 mA 或 350 mA 不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數(shù)值。一 般LED在反向電壓：VR=5V的條件下，反向電流：IRW 10叭。 （3）LED 的功率LED 功率的大小也各不相同，有 70mW、 100mW、 1W、2W、3W、5W 等，所以必須根據(jù)所選擇的LED ,設(shè)計(jì)合理的使用電路和配置合適的 LED數(shù)量， 使其完全滿足 LED 電源的額定值，如果設(shè)計(jì)的電路使每個(gè) LED 分擔(dān)電壓或電流 過(guò)高就會(huì)嚴(yán)重影響 LED 的使用壽命甚至燒毀 LED ，如果分擔(dān)的電壓或電流過(guò)低 則激發(fā)的 LED 光強(qiáng)不夠，就不能充分發(fā)揮 LED 應(yīng)有的效果，達(dá)不到我們所期 望的目的。2溫度特性(1) LED的焊接溫度應(yīng)在300C以下，焊接時(shí)間控制在35S之間。要注意避 免 LED 溫度過(guò)高從而使芯片受損，焊接的位置最好在引腳卡點(diǎn)以外的位置。( 2) LED 的亮度輸出與溫度成反比