LED燈的特點(diǎn)及其發(fā)光原理

LED燈的特點(diǎn)及其發(fā)光原理一、LED的構(gòu)造及發(fā)光原理50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的根本學(xué)問(wèn)，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文lightemittingdiode〔發(fā)光二極管〕的縮寫(xiě)，它的根本構(gòu)造是一塊電致發(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LED的抗震性能好。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)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，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。二、LED光源的特點(diǎn)電壓：LED6-24V之間，依據(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。效能：消耗能量較同光效的白熾燈削減80%LED3-5mm的正方形，所以可以制備成各種外形的器件，并且適合于易變的環(huán)境穩(wěn)定性：1050%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)對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞顏色：轉(zhuǎn)變電流可以變色，發(fā)光二極管便利地通過(guò)化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶構(gòu)造和帶隙，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，最終為綠色價(jià)格：LEDLED的價(jià)格就可以與一只白熾燈300～500只二極管構(gòu)成。三、單色光LED的種類及其進(jìn)展歷史P-NLED2060GaAsP，發(fā)紅光〔λp=650nm〕，20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾0.1流明/瓦。70年月中期，引入元素InNLED產(chǎn)生綠光〔λp=555nm〕，黃光〔λp=590nm〕和橙光〔λp=610nm〕，1流明/瓦。80GaAlAsLEDLED10流明/瓦。90GaAlInPGaInN兩種材料的開(kāi)發(fā)成功，LED2023年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)〔λp=615nm〕100流明/LED在綠色區(qū)域〔λp=530nm〕的光效可以到達(dá)50流明/瓦。LED的應(yīng)用LEDLED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1402023流明的白光。90%200流明的紅光。而在設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公18個(gè)紅色LED14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987燈，由于LED響應(yīng)速度快〔納秒級(jí)〕，可以及早讓跟隨車輛的司機(jī)知道行駛狀況，削減汽車追尾事故的發(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。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LEDGaN〔YAG〕GaN芯片發(fā)藍(lán)光〔λp=465nm，Wd=30nm〕，高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光放射，峰550nmLED基片安裝在碗形反射腔中，掩蓋以混有YAG的樹(shù)脂薄層，約200-500nm。LED基片發(fā)出的藍(lán)光局部被熒光粉吸取，另一局部藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光InGaN/YAGLEDYAG熒光粉的化學(xué)3500-10000K的各色白光?！簿庉嬂钇G欣〕LED燈具特性LED〔Light-Emitting-Diode〕是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體，其特點(diǎn)如下：效率高依據(jù)通常的光效定義，LED的發(fā)光效率并不高〔10～30lm/W，目前LED55lm/W〕，LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，效率可以到達(dá)80-90%，而光效差不多的白熾燈其可見(jiàn)光效率僅為10-20%。光線質(zhì)量高由于光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，故沒(méi)有熱量，沒(méi)有輻射，LED屬于典型的綠色照明光源。光色純與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光線很純。能耗小單體D的功率一般在5～要，鋪張很少。尤其是需要彩色光的時(shí)候，承受白光經(jīng)過(guò)濾色的方式大費(fèi)周折并且鋪張LED固有的彩色卻是得天獨(dú)厚。壽命長(zhǎng)70%10萬(wàn)小時(shí)，實(shí)際上幾乎無(wú)限。牢靠耐用沒(méi)有鎢絲、玻殼等等簡(jiǎn)潔損壞的部件，非正常報(bào)廢的可能性很小，維護(hù)費(fèi)用極為低廉。應(yīng)用敏捷體積小，可平面封裝易開(kāi)發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品，做成點(diǎn)、線、面各種形式的具體應(yīng)用產(chǎn)品。安全1.5~5V20~70mA之間。響應(yīng)時(shí)間短適合于頻繁開(kāi)關(guān)以及高頻運(yùn)作的場(chǎng)合。綠色環(huán)保廢棄物可回收，沒(méi)有污染，不像熒光燈含有汞成分。掌握敏捷通過(guò)調(diào)整電流可以調(diào)光，不同光色的組合可以調(diào)色，加上時(shí)序掌握電路可以到達(dá)多樣的動(dòng)態(tài)變化效果。第一講LED主要參數(shù)與特性特性和光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。本文將為你具體介紹。1、LED電學(xué)特性I-V特性偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。如上圖：RLED其值不同，GaAs1VGaAsP為1.2V，GaP為1.8V，GaN2.5V。IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系IF=IS(eqVF/KT–1) ISV＞VFIFVF指數(shù)上升，IF=ISeqVF/KTpnVVRIR〔V-5V〕時(shí)，GaP0V，GaN10uA。V＜VR，VR稱為反向擊穿電壓；VRIR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓始終LED的VR也不同。C-V特性(280×280um)，12×12mil〔零偏壓〕C≈n+pf左右。C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系〔2〕1MHZC-V特性測(cè)試儀測(cè)得。PFmLEDIF、管壓降為UFP=UF×IFLED工作時(shí)，外加偏壓、偏流肯定促使時(shí)，〔功率〕，PKT〔TjTa〕。響應(yīng)時(shí)間LCD〔液晶顯示〕10-3~10-5S，、LED10-6~10-7S〔us級(jí)〕。LED3tr、tft0值很小，可無(wú)視。10%90%LED熄滅時(shí)間——tf10%所經(jīng)受的時(shí)間。Dss其響應(yīng)時(shí)間＜PS10~100MHZ高頻系統(tǒng)。LED光學(xué)特性發(fā)光二極管有紅外〔非可見(jiàn)〕與可見(jiàn)光兩個(gè)系列，前者可用輻射度，后者可用光度學(xué)來(lái)量度其光學(xué)特性。發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布Iθ〔法向光強(qiáng)LED90。當(dāng)偏離正法θ角度，光強(qiáng)也隨之變化。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝外形而強(qiáng)度依靠角方向。IθLED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。它主要取決于封裝的工藝〔包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹(shù)脂中添加散射劑與否〕⑴為獲得高指向性的角分布〔4〕LED管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些；〔子彈頭〕的模粒頭；LED2θ1/26左右，大大提高了指向性。⑵當(dāng)前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2角)LED：5°、10°、30°、45°。發(fā)光峰值波長(zhǎng)及其光譜分布LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。pn結(jié)構(gòu)造〔外延層厚度、摻雜雜質(zhì)〕等有關(guān)，而與器件的幾何外形、封裝方式無(wú)關(guān)。LED光譜響應(yīng)曲線。其中550nm；λp680～700nm；Si光電二極管，通常作光電接收用。LED，都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處〔光輸出最大〕，與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波λpλp波長(zhǎng)。處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值〔最大光強(qiáng)度〕一半的點(diǎn)，此兩LED單色性的參數(shù)，LED40nm。LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長(zhǎng)；甚至有多個(gè)峰值，并非單色光。為此LED色度特性而引入主波長(zhǎng)。主波長(zhǎng)就是人眼所能觀看到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長(zhǎng)。單色GaPLED長(zhǎng)期工作，結(jié)溫上升而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)波。光通量DD〔。LED1LEDF≈1.5~1.8小芯片1mm×1mmLED，F(xiàn)=18lm。發(fā)光效率和視覺(jué)靈敏度LED效率有內(nèi)部效率〔pn結(jié)四周由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率〕與外部效率〔輻射到外部的效率〕。前者只是用來(lái)分析和評(píng)價(jià)芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射出光能量〔發(fā)光量〕與輸入電能之比，即發(fā)光效率。λ555nm680FP=∫Pλdλ；F=∫KλPλdλ——η=放射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)=〔e/hcI〕∫λPλdλ。假設(shè)輸入能量為W=UI，ηP=P/Whc=ev，則η≈ηP，則總光通F=〔F/P〕P=KηPWKF/P。W=KηP的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見(jiàn)光的能量較大，故也叫可見(jiàn)光發(fā)光效率。LED流明效率〔可見(jiàn)光發(fā)光效率〕：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。事實(shí)上，LED向pn為在勢(shì)壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，ηe為外部出光〔光取出效率〕效率。LEDηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)〔無(wú)環(huán)氧封裝〕假設(shè)垂直入射，32%，鑒于晶體本身對(duì)光有相當(dāng)一局部ηe可實(shí)行以下措施：〔n=1.55并不抱負(fù)〕掩蓋在芯片外表；n=2.4~2.6的低熔點(diǎn)玻璃[成分GaAs、GaAsP、GaAlAsLED4~6倍。發(fā)光亮度cd/m2Nit?！材崽亍常?4×108Nit。LEDLED，JO〔電流密度〕BO也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度上升，ηc〔復(fù)合效率〕下降，BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫上升，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。壽命Bt=BOe-t/τ，Btt時(shí)間后的亮度，BO為初始亮度。Bt=1/2BOtt要花很長(zhǎng)的時(shí)間，通常以推算求得壽命。~104BO，Bt=1000~10000，代Bt=BOe-t/τ求出τBt=1/2BOt。LED106LEDIF=20mA下。隨著功率型LED開(kāi)發(fā)應(yīng)用，LED的