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LED
閱讀�40885時間�2010-12-07 11:07:37

  LED(Light Emitting Diode)即�(fā)光二極管,是一種固�(tài)的半�(dǎo)體器�,它可以直接把電�(zhuǎn)化為�。LED 的心臟是一個半�(dǎo)體的晶片,當(dāng)電流通過�(dǎo)線作用于這個晶片的時候,電子和空穴就會被推向量子�,在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合,然后就會以光子的形式�(fā)出能�。能完成�(shù)十種不同的工作,并且在各種設(shè)備中都能找到它們的身影。例如它們可以組成電子鐘� 表盤上的�(shù)�,從遙控� 傳輸信息,為手表表盤照明并在�(shè)備開啟時向您�(fā)出提�� 如果將它們集�(jié)在一�,可以組成超大電視屏幕上的圖�,或是用于點亮交通信號燈�

特點

  LED 的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光�,它有著廣泛的用��

  體積�

  LED 基本上是一塊很小的晶片被封裝在�(huán)氧樹脂里面,所以它非常的小,非常的��

  耗電量低

  LED 耗電非常低,一般來� LED 的工作電壓是 2-3.6V。工作電流是 0.02-0.03A。這就是說:它消耗的電不超過 0.1W�

  使用壽命�

  在恰�(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合拢琇ED 的使用壽命可�(dá) 10 萬小��

  高亮度、低耗量

  � HID 或白熾燈更少的熱輻射�

  �(huán)�

  LED 是由無毒的材料作�,不像熒光燈含水銀會造成污染,同� LED 也可以回收再利用。紅� LED 含有大量� As(砷�,劇�

  堅固耐用

  LED 是被完全的封裝在�(huán)氧樹脂里�,它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分,這些特點使得 LED 可以說是不易損壞��

  可控性強

  可以實現(xiàn)各種顏色的變��

分類

  1、按�(fā)光管出光面特征分

  按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方�、矩�、面�(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為�2mm、�4.4mm、�5mm、�8mm、�10mm及�20mm等。國外通常把�3mm的發(fā)光二極管記作T-1;把φ5mm的記作T-1�3/4);把�4.4mm的記作T-1�1/4��

  由半值角大小可以估計圓形�(fā)光強度角分布情況�

  從發(fā)光強度角分布圖來分有三類�

 ?�?)高指向�。一般為尖頭�(huán)氧封�,或是帶金屬反射腔封裝,且不加散射劑。半值角�5°�20°或更小,具有很高的指向�,可作局部照明光源用,或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)�

 ?�?)標(biāo)�(zhǔn)型。通常作指示燈�,其半值角�20°�45°�

 ?�?)散射型。這是視角較大的指示燈,半值角�45°�90°或更�,散射劑的量較大�

  2、按�(fā)光管�(fā)光顏色分

  按發(fā)光管�(fā)光顏色分,可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃�、標(biāo)�(zhǔn)綠和純綠�、藍(lán)光等另外,有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯��

  根據(jù)�(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無�,上述各種顏色的�(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型�(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用�

  3、按�(fā)光二極管的結(jié)�(gòu)�

  按發(fā)光二極管的結(jié)�(gòu)分有全環(huán)氧包�、金屬底座環(huán)氧封�、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)�(gòu)�

  4、按�(fā)光強度和工作電流�

  按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發(fā)光強�100mcd);把發(fā)光強度在10�100mcd間的叫高亮度�(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA,而低電流LED的工作電流在2mA以下(亮度與普通發(fā)光管相同��

  除上述分類方法外,還有按芯片材料分類及按功能分類的方��

功能原理

  LED 的心臟是一個半�(dǎo)體的晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是�(fù)極,另一端連接電源的正極使整個晶片被�(huán)氧樹脂封裝起�。半�(dǎo)體晶片由兩部分組�,一部分� P 型半�(dǎo)體,在它里面空穴占主�(dǎo)地位,另一端是 N 型半�(dǎo)�,在這邊主要是電�。但這兩種半�(dǎo)體連接起來的時候,它們之間就形成一個“P-N �(jié)�。當(dāng)電流通過�(dǎo)線作用于這個晶片的時候,電子就會被推� P 區(qū),在 P 區(qū)里電子跟空穴�(fù)�,然后就會以光子的形式發(fā)出能�,這就� LED �(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色,是由形� P-N �(jié)的材料決定的� 它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式,用來顯示文字、圖彀圖�、動畫、行�、視�、錄像信號等各種信息的顯示屏�。由于具有容易控�、低壓直流驅(qū)�、組合后色彩表現(xiàn)豐富、使用壽命長等優(yōu)點,廣泛�(yīng)用于城市各工程中、大屏幕顯示系統(tǒng)。LED 可以作為顯示�,在計算機控制下,顯示色彩變化萬千的視頻和圖�� LED 是一種能�?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體�

特性介�

  1、LED電學(xué)特�

  1.1 I-V特性表征LED芯片pn�(jié)制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線�、整流性質(zhì):單�?qū)щ�?,即外加正偏壓表�(xiàn)低接觸電�,反之為高接觸電��

  1.2 C-V特�

  鑒于LED的芯片有9×9mil (250×250um)�10×10mil�11×11mil (280×280um)�12×12mil (300×300um),故pn�(jié)面積大小不一,使其結(jié)電容(零偏壓)C≈n+pf左右�

  C-V特性呈二次函數(shù)�(guān)�

  1.3 允許功耗PF m

  �(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF則功率消耗為P=UF×IF

  LED工作�,外加偏壓、偏流一定促使載流子�(fù)合發(fā)出光,還有一部分�?yōu)闊幔菇Y(jié)溫升�。若�(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta,則�(dāng)Tj>Ta�,內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱,散逸熱量(功率),可表示為P = KT(Tj � Ta��

  1.4 響應(yīng)時間

  響應(yīng)時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?,F(xiàn)有幾種顯示LCD(液晶顯示)�10-3~10-5S,CRT、PDP、LED都達(dá)�10-6~10-7S(us級)�

 ?�?響應(yīng)時間從使用角度來�,就是LED點亮與熄滅所延遲的時��

  � 響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命、器件的�(jié)電容及電路阻��

  LED的點�?xí)r間——上升時間tr是指接通電源使�(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開始,一直到�(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所�(jīng)歷的時間�

  LED 熄滅時間——下降時間tf是指正常�(fā)光減弱至原來�10%所�(jīng)歷的時間�

  不同材料制得的LED響應(yīng)時間各不相同;如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響�(yīng)時間�10-9S,GaP�10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ高頻系統(tǒng)�

  2 LED光學(xué)特�

  �(fā)光二極管有紅外(非可見)與可見光兩個系�,前者可用輻射度,后者可用光度學(xué)來量度其光學(xué)特��

  2.1 �(fā)光法向光強及其角分布Iθ

  2.1.1 �(fā)光強度(法向光強)是表征�(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量�(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝,由于凸透鏡的作�,故都具有很強指向性:位于法向方向光強,其與水平面交角�90°。當(dāng)偏離正法向不同θ角�,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�

  2.1.2 �(fā)光強度的角分布Iθ是描述LED�(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(包括支�、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否)

  � 為獲得高指向性的角分�

 ?�?LED管芯位置離模粒頭�(yuǎn)��

 ?�?使用圓錐狀(子彈頭)的模粒��

 ?�?封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑�

  采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右,大大提高了指向性�

 ?�?�(dāng)前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2角)圓形LED�5°�10°�30°�45°

  2.2 �(fā)光峰值波長及其光譜分�

  � LED�(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不�,繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之�,器件的有關(guān)主波�、純度等相關(guān)色度�(xué)參數(shù)亦隨之而定�

  LED的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種�、性質(zhì)及pn�(jié)�(jié)�(gòu)(外延層厚度、摻雜雜�(zhì))等有關(guān),而與器件的幾何形狀、封裝方式無�(guān)�

  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�,與之相對應(yīng)有一個波長,此波長叫峰值波�,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�(cè)±△λ處,存在兩個光強等于峰值(光強度)一半的�,此兩點分別對應(yīng)λp-△�,λp+△λ之間寬度叫譜線寬度,也稱半功率寬度或半高寬度�

  半高寬度反映譜線寬窄,即LED單色性的參數(shù),LED半寬小于40 nm�

 ?�?主波長:有的LED�(fā)光不單是單一�,即不僅有一個峰值波�;甚至有多個峰�,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�,由LED�(fā)出主要單色光的波�。單色性越�,則λp也就是主波長�

  如GaP材料可發(fā)出多個峰值波�,而主波長只有一�,它會隨著LED長期工作,結(jié)溫升高而主波長偏向長波�

  2.3 光通量

  光通量F是表征LED總光輸出的輻射能�,它�(biāo)志器件的性能�(yōu)�。F為LED向各個方向發(fā)光的能量之和,它與工作電流直接有�(guān)。隨著電流增加,LED光通量隨之增大。可見光LED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�(guān)。目前單色LED的光通量�1 lm,白光LED的F�1.5~1.8 lm(小芯片�,對�1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED,其F=18 lm�

  2.4 �(fā)光效率和視覺靈敏�

  � LED效率有內(nèi)部效率(pn�(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率)與外部效率(輻射到外部的效率�。前者只是用來分析和評價芯片�(yōu)劣的特性�

  LED光電最重要的特性是用輻射出光能量(�(fā)光量)與輸入電能之比,即�(fā)光效��

  � 視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參�。人的視覺靈敏度在� = 555nm處有一個�680 lm/w。若視覺靈敏度記為Kλ,則�(fā)光能量P與可見光通量F之間�(guān)系為 P=∫Pλdλ � F=∫KλPλdλ

  � �(fā)光效率——量子效率�=�(fā)射的光子�(shù)/pn�(jié)載流子數(shù)=(e/hcI)∫λPλdλ

  若輸入能量為W=UI,則�(fā)光能量效率ηP=P/W

  若光子能量hc=ev,則η≈ηP ,則總光通F=(F/P)P=KηPW 式中K= F/P

 ?�?流明效率:LED的光通量F/外加耗電功率W=KηP

  它是評價具有外封裝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�,故也叫可見光發(fā)光效��

  品質(zhì)�(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量�,向外發(fā)出的光盡可能�,即外部效率要高。事實上,LED向外�(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分,總的發(fā)光效率應(yīng)�

  η=ηiηcηe ,式中ηi向為p、n�(jié)區(qū)少子注入效率,ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率,ηe為外部出光(光取出效率)效率�

  由于LED材料折射率很高ηi�3.6。當(dāng)芯片�(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(無環(huán)氧封裝)若垂直入�,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(dāng)一部分的吸�,于是大大降低了外部出光效率�

  為了�(jìn)一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施:� 用折射率較高的透明材料(環(huán)氧樹脂n=1.55并不理想)覆蓋在芯片表面;② 把芯片晶體表面加工成半球形;

  � 用Eg大的化合物半�(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸�。有人曾�(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��

  2.5�(fā)光亮�

  亮度是LED�(fā)光性能又一重要參數(shù),具有很強方向�。其正法線方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于�(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�

  若光源表面是理想漫反射面,亮度BO與方向無�(guān)為常�(shù)。晴朗的�(lán)天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit(尼特),從地面看太陽表面亮度約�14×108Nit�

  LED亮度與外加電流密度有�(guān),一般的LED,JO(電流密度)增加BO也近似增�。另外,亮度還與�(huán)境溫度有�(guān),環(huán)境溫度升�,ηc(復(fù)合效率)下降,BO減小。當(dāng)�(huán)境溫度不變,電流增大足以引起pn�(jié)�(jié)溫升�,溫升后,亮度呈飽和狀�(tài)�

  2.6壽命

  老化:LED�(fā)光亮度隨著長時間工作而出�(xiàn)光強或光亮度衰減�(xiàn)�。器件老化程度與外加恒流源的大小有�(guān),可描述為Bt=BO e-t/τ,Bt為t時間后的亮度,BO為初始亮��

  通常把亮度降到Bt=1/2BO所�(jīng)歷的時間t稱為二極管的壽命。測定t要花很長的時�,通常以推算求得壽�。測量方法:給LED通以一定恒流源,點�103 ~104 小時�,先后測得BO ,Bt=1000~10000,代入Bt=BO e-t/τ求出τ;再把Bt=1/2BO代入,可求出壽命t�

  長期以來總認(rèn)為LED壽命�106小時,這是指單個LED在IF=20mA�。隨著功率型LED開發(fā)�(yīng)�,國外學(xué)者認(rèn)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�35%,壽命>6000小時�

  3 熱學(xué)特�

  LED的光�(xué)參數(shù)與pn�(jié)�(jié)溫有很大的關(guān)�。一般工作在小電流IF�10mA,或�10~20 mA長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若�(huán)境溫度較�,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�、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門�(shè)計散射通風(fēng)裝置�

  LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為λp� T′)=λ0(T0�+△Tg×0.1nm/�

  由式可知,每�(dāng)�(jié)溫升�10�,則波長向長波漂�1nm,且�(fā)光的均勻性、一致性變�。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(shè)計尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)iT通用�(shè)�、確保LED長期工作�

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