LED照明基礎-課件

22.07.20231LED照明基礎22.07.20232LED照明基礎內(nèi)容簡介

LED的發(fā)展史

LED的現(xiàn)況

LED的特性

LED在產(chǎn)品設計22.07.20233LED照明基礎LED的全稱LightEmittingDiode,即發(fā)光二極管，是一種半導體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發(fā)生復合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED可以直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。22.07.20234LED照明基礎22.07.20235LED照明基礎1907年HenryJosephRound第一次觀察到場致發(fā)光現(xiàn)象。1936年GeorgeDestiau第一場使用場致發(fā)光這個術語。60年代初，試驗中，LED需要置放在液化氮中第一個商業(yè)LED僅僅只能發(fā)出不可見的紅外線，但是迅速應用于感光與光電領域。60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED70年代中，采用雙層磷化稼能夠發(fā)出黃色光。70年代末，LED出現(xiàn)綠色光。90年代中，LED最終出現(xiàn)藍色光。90年代末白光的LED開發(fā)成功目前LED已經(jīng)可以發(fā)出紫外光。除此以外，LED的光通量也在與日俱增，最新的實驗室數(shù)據(jù)是186lm/W22.07.20236LED照明基礎22.07.20237LED照明基礎美國LED行業(yè)的預測22.07.20238LED照明基礎世界各國政府LED發(fā)展計劃22.07.20239LED照明基礎高光效高節(jié)能光源方向性好光色多安全性高環(huán)保壽命長光源快速響應燈具結(jié)構(gòu)合理運行成本低

22.07.202310LED照明基礎22.07.202311LED照明基礎名稱

耗電量（W）工作電壓

（v）協(xié)調(diào)控制

發(fā)熱量

可靠性

使用壽命

（h）金屬鹵素燈

100220不易

極高

低

3000霓虹燈

500較高

高

高

宜室內(nèi)

3000鎂氖燈

16W/m220較好

較高

較好

6000日光燈

4-100220不易

較高

低

5000-8000冷陰極

15W/m需逆變

較好

較低

較好

10000鎢絲燈

15-200220不宜

高

低

3000節(jié)能燈

3-150220不宜調(diào)光

低

低

5000LED燈極低

直流12-36V

多種形式

極低

極高

100000LED光源在性能方面遠遠優(yōu)于其他光源！??！22.07.202312LED照明基礎22.07.202313LED照明基礎LED按照發(fā)光顏色分類紅光橙光綠光藍光白光紅光橙光綠光藍光統(tǒng)稱為色光，主要應用在指示或裝飾方面白光又可細分為暖白中性白冷白。白光是我們照明行業(yè)主要用到的光源。22.07.20231422.07.202315LED照明基礎InGaN(藍)/YAG熒光粉

這是一種目前較為成熟的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用芯片倒裝結(jié)構(gòu),提高發(fā)光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進,可將色均勻性提高10倍。實驗證明,電流和溫度的增加使LED光譜有些藍移和紅移,但對熒光光譜影響并不大。壽命實驗結(jié)果也較好。InGaN(藍)/紅熒光粉+綠熒光粉色溫可達到3000K-6000K,Ra達到82-87,。InGaN(紫外)/(紅+綠+藍)熒光粉此類白光LED,其Ra大于等于90,但發(fā)光效率還不夠理想22.07.202316LED照明基礎22.07.202317LED照明基礎22.07.202318LED照明基礎雙芯片可由藍LED+黃LED、藍LED+黃綠LED以及藍綠LED+黃LED制成,此種器件成本比較便宜,但由于是兩種顏色LED形成的白光,顯色性較差,只能在顯色性要求不高的場合使用。

22.07.202319LED照明基礎(藍色+綠色+紅色)LED

這種通過RGB方法合成白光這種方法主要的問題是綠光的轉(zhuǎn)換效率底，所以總體的效率不高。同時三種顏色的LED的正向電壓和光輸出不同，兩外它們的溫度特性和光維持特性也不相同，因而對電路的要求也比較高。22.07.202320LED照明基礎22.07.202321LED照明基礎1.光通量φ：發(fā)光體每秒鐘所發(fā)出的光量的總和。單位：流明（Lm），表示發(fā)光體發(fā)光的多少，發(fā)光愈多流明數(shù)愈大。2.光強I：發(fā)光體在特定方向單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量。單位：坎德拉（cd）。3.照度E：發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量。單位：勒克斯（Lux）=流明Lm/面積m2。4.亮度L：發(fā)光體在特定方向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量。單位：尼脫（mcd）。5.光效：電光源將電能轉(zhuǎn)化為光的能力，以發(fā)出的光通量除以耗電量來表示。單位：每瓦流明（Lm/w）。6.平均壽命：指一批燈至50%的數(shù)量損壞時的小時數(shù)。單位：小時（h）。22.07.202322LED照明基礎7.經(jīng)濟壽命：在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時數(shù)。室外的光源為70%，室內(nèi)的光源為80%。8.色溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，色溫在3000k以下有溫暖的感覺，達到穩(wěn)重的氣氛；色溫在3000k-5000k為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000k以上有冷的感覺。單位：K。9.顯色性：光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽能）照明時顏色的偏離能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現(xiàn)物體本來的顏色需使用顯色指數(shù)高的光源。單位：Ra。10.眩光：視野內(nèi)有亮度極高的物體或強烈的亮度對比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質(zhì)量的重要因素。22.07.202323LED照明基礎LED的電學特性LED的光學特性LED的熱特性

22.07.202324LED照明基礎LED是一個由半導體無機材料構(gòu)成的單極性PN結(jié)二極管，它是半導體PN結(jié)二極管中的一種，其電壓-電流之間的關系稱為伏安特性。LED電特性參數(shù)包括正向電流、正向電壓、反向電流和反向電壓，LED必須在合適的電流電壓驅(qū)動下才能正常工作。通過LED電特性的測試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、電流，此外也可以測定LED的最佳工作電功率。

22.07.202325LED照明基礎

I-V特性是LED芯片性能主要參數(shù)。

I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。（1）正向死區(qū)（2）正向工作區(qū)（3）反向死區(qū)。（4）反向擊穿區(qū)22.07.202326LED照明基礎C-V特性

LED的芯片pn結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容也不一C-V特性呈現(xiàn)二次函數(shù)關系是電容與電壓的關系最大允許功耗PFm響應時間是LED點亮與熄滅所延遲的時間。響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED點亮時間——指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。LED熄滅時間——指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。不同材料制得的LED響應時間各不相同22.07.202327LED照明基礎發(fā)光強度是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。發(fā)光強度的角分布θ是描述LED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，透鏡的材料，透鏡的曲率，芯片周圍的反光杯。22.07.202328LED照明基礎22.07.202329LED照明基礎發(fā)光峰值波長及其光譜分布

LED的光譜特性參數(shù)主要包括峰值發(fā)射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。單色LED的光譜為單一波峰，特性以峰值波長和帶寬表示，而白光LED的光譜由多種單色光譜合成。LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示，而由LED的光譜功率分布還可計算得到色度參數(shù)。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。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。22.07.202330LED照明基礎發(fā)光峰值波長及其光譜分布如圖1藍光InGaN/GaN

發(fā)光譜峰λp=460～465nm2綠光GaP:N

發(fā)光譜峰λp=550nm3紅光GaP:Zn-O

發(fā)光譜峰λp=680～700nm4紅外GaAs

發(fā)光譜峰λp=910nm5Si光敏光電管通常作光電接收用6標準鎢絲燈22.07.202331LED照明基礎峰值波長：無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。主波長：有的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。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。如GaP材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。22.07.202332LED照明基礎22.07.202333LED照明基礎光通量是表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。光通量為LED向各個方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽釲ED的光通量單位為流明（lm）。LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關。22.07.202334LED照明基礎積分球法使用積分球?qū)⑹筁ED總通量的測量更加簡單。帶有兩個入射孔和一個于探測器的出射孔的積分測量可對待測LED的自吸進行修正。22.07.20233522.07.202336LED照明基礎發(fā)光效率LED效率有兩種

內(nèi)部效率：pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率。內(nèi)部效率只用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性

外部效率：輻射到外部的效率。發(fā)光效率：輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比量子效率

η=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)流明效率：LED的光通量/外加耗電功率流明效率是評價具有外封裝LED特性，LED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。理論計算中，最大的流明下來率為628lm/W。同此相比，LED未來的發(fā)展前景很廣闊。22.07.202337LED照明基礎幾種常見色光的效率對比LEDλp材料可見光發(fā)光效率（lm/w）外量子效率發(fā)光顏色（nm）最高值平均值紅光700GaP:Zn-O2.4121~3660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黃光590GaP:N-N0.450.1

綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15藍光465GaN

10

白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6

大芯片1822.07.202338LED照明基礎品質(zhì)優(yōu)良的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.LED向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應為η=ηiηcηe，

ηi向為p、n結(jié)區(qū)少子注入效率

ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復合效率

ηe為外部出光（光取出效率）效率。22.07.202339LED照明基礎由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時（無環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。22.07.202340LED照明基礎如何提高外部出光效率ηe？

1.用折射率較高的透明材料覆蓋在芯片表面

2.把芯片晶體表面加工成半球形

3.用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。22.07.202341LED照明基礎發(fā)光亮度亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強方向性。其正法線方向的亮度，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為cd/m2或Nit。LED亮度與外加電流密度有關，電流密度增加發(fā)光亮度也近似增大。LED亮度還與環(huán)境溫度有關，環(huán)境溫度升高，復合效率下降，發(fā)光亮度減小。當環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。22.07.202342LED照明基礎老化：LED發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關。外加恒流源越大老化越快。壽命：通常把亮度降到初始亮度一般所經(jīng)歷的時間稱為二極管的壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103~104小時后，先后測得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在e=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來35%，壽命＞6000h。22.07.202343LED照明基礎LED的光學參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20mA長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或λp就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應專門設計散射通風裝置。LED的主波長隨溫度關系可表示為λp（T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每當結(jié)溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設計尤其應注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設備、確保LED長期工作。22.07.202344LED照明基礎LED測量的環(huán)境溫度一般為Tamb＝25oC。隨著溫度的增加，LED波長的中心會發(fā)生藍移或紅移隨著溫度的增加，LED的光強將會減小22.07.202345LED照明基礎22.07.202346LED照明基礎22.07.202347LED照明基礎22.07.202348LED照明基礎LED散熱結(jié)構(gòu)22.07.202349LED照明基礎照明應用：

22.07.202350LED照明基礎汽車部分：