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LED燈基礎知識

日期:2013-05-15 17:51:59 人氣:

  LED的基本概念
  發光二極管簡稱LED o不同材料制成的發光二極管,發出不同顏色的光。由鎵(Ga)、砷(As)、磷(P)的化合物制成的發光二極管中,有發紅光的磷砷化鎵( GaAsP)二極管、發綠光的磷化鎵( GaP)二極管、發黃光的碳化硅(SiC)二極管,當其電子與空穴復合時能輻射出可見光,因而利用該特性制成LED o LED在電路及儀器中常常作為指示燈,或者組成矩陣顯示文字或數字。

  LED是半導體二極管的一種,可以把電能轉化成光能o LED寫普通二極管一樣都是由一個PN結組成的,同時具有單向導電性。當給LED加上正向偏置電壓后,從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子,在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合,產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的臺邕量狀態不同,電子和空穴復合時釋放出的能量大小不同。釋放出的能量越多,發出的光的波長越短。

  LED的基本結構與發光原理
  1.LED的基本工作原理LED是一種直接注入電流的發光器件,是半導體晶體內部受激電子從高能級回到低臺皂級時,發射出光子的結果,這就是通常所說的自發發射躍遷。當LED的PN結加上正向偏置電壓時,注入的少數載流子和多數載流子(電子和空穴)復合而發光。值得注意的是,大量處于高能級的粒子各自分別自發發射一列列的光波,~各列光波之間沒有固定的相位關系,可以有不同的偏振方向,并且每個粒子所發射的光沿所有可能的方向傳播,這個過程稱為自發發射。

  2.LED的基本結構傳統LED與大功率LED的基本結構,如圖1-1所示。傳統LED芯片被固定在導電、導熱的帶兩根引線的金屬支架上,有反射杯(或反光碗)的引線為負級,另外一根引線為正級。芯片釙圍封以環氧樹脂(帽),一方面可以保護芯片,另一方面起(透鏡)聚光作用。

  LED的兩根引腳不一樣長時,其中較長的一根為正極。如果LED的兩根引線一樣長,則通常在管殼上有一凸起的小舌,靠近小舌的引線是正極oLED燈主要由支架、銀膠、晶片、金線和環氧樹脂等組成。

  LED芯片及封裝向大功率方向發展,在大電流下可產生比矽Smm LED大10~20倍的光通量,必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題,因此,管殼及封裝也是其關鍵技術。目前,能承受數瓦功率的LED封裝已出現,其中5W系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2003年初開始供貨,其中白色LED的光通量達1871m,光效為44.31m/W o并.已開發出可承受10W功率的LED大面積管,尺寸為2.5mmX2.5mm,可在5A電流下工作,其光通量達2001m,作為固體照明光源有很大的發展空間。

  功率型LED的熱特性直接影響LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等,因此,對功率型LED芯片的封裝設計、制造技術顯得尤為重要。

  LED芯片是LED器件的核心,其結構如圖1-2所示o LED芯片為分層結構,芯片兩端是金屬電極;底部為襯底材料;中間是由P型層和N型層構成的PN結;發光層被夾在P型層和N型層之間,是發光的核心區域o P型層、N型層和發光層利用特殊的外延生長工藝在襯底材料上制得。在芯片工作時.P型層和N型層分別提供發光所需要的空穴和電子,它們被注入到發光層復合而產生光oLED的封裝示意圖如圖1-3所示。實際中的芯片結構比其要復雜得多oLED芯片制作技術是21世紀的高新技術之一。

  LED的圖形符號如圖1-4所示,其文字符號用Ⅵ)表示。低壓直流供電(如電池)的簡單工作電路,如圖1-5所示o LED工作在正向電壓偏置時,其發光亮度隨正向電流斥的增大而增強。為限制其工作電流,電路中通常需要串聯一個限流電阻(亦稱鎮流電阻)Ro普通小功率LED工作時的正向電壓降贍為1.5- 3.5V,工作電流斥為5~20mA o而白光LED的正向電壓降范圍通常為3.0~3.5V,大功率白光LED的工作電流達350mA乃至1 A以上,如圖1.6所示。

  3.LED的發光原理LED的核心是PN結。因此它具有一般PN結的單向導電特性,即正向導通、反向截止及擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向偏置電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光,如圖1.7所示。

  假設發光是在P區中發生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光,或者先被發光中心捕獲后,再與空穴復合而發光。除了這種發光復合外,還有些電子被非發光中心(導帶、價帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大,光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的,所以僅在靠近PN結的數微米以內產生光。

  理論和實踐證明,光的峰值波長力與發光區域的半導體材料的禁帶寬度Eg有關,即允≈1240/Eg(mm) (1-2)式中,Eg的單位為電子伏特(eV)o若能產生可見光,則其波長為3 80(紫光)~780nm(紅光)o半導體材料的尾應為3.26--1.63eVo。

  LED的特點
  LED作為一種出現時間最晚的照明技術,自20世紀60年代誕生以來,得到了長足的發展和應用p而相對于白熾燈、熒光燈等老一代發光器件,LED的特點主要體現在以下幾方面。

 ?、匐妷簅LED是低壓器件,驅動單顆LED的電壓僅需2.5~3.5V,驅動電流為幾十到幾百毫安,不會造成觸電事故,因此比較安全,也適用于低電壓電源的場所。

 ?、诤哪?。消耗能量較同光效的白熾燈減少80%0③適用性oLED體積小、重量輕和厚度薄的特點大大拓展了其應用空間,可以用來生產各種形狀的器件,并且適合于易變的環境。

 ?、芊€定性。工作1 0萬小時后,光衰為初始的500700⑤響應時間。白熾燈的響應時間為毫秒級,LED燈的響應時間為納秒級。

 ?、蕲h保oLED中無有害金屬水銀(汞)o⑦顏色。不同的芯片材料可以獲得不同的單色LED,而相同的芯片材料在不同的外延片部位產生的LED酌光色也各不相同o LED方便地通過化學修飾方法調整材料的能帶結構和禁帶寬度,可實現紅、黃、綠、藍、橙等多色發光。紅光工作電壓較小,顏色不同的紅、橙、黃、綠、藍的LED的工作電壓依次升高。

 ?、鄡r格oLED的價格現在越來越平民化,因LED省電的特性,推測不久的將來,人們都會把白熾燈換成LED燈?,F在,我國部分城市的公路、學校、廠區等場所已換裝LED路燈、庭院燈等。

 ?、峥拐鹦阅芎胦LED是一種電致發光光源,其結構特性決定了震動對其影響較小。

  單色光LED的種類及其發展歷史
  LED出現于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaA sP,發紅光(砧=650nm),在驅動電流為20mA時,光通量只有千分之幾流明,相應的發光效率約O.llm/W o70年代中期,引入元素銦(In)和氮(N),使LED可產生綠光(~p=555nm)、黃光(~p=590nm)和橙光(ap=610nm),光效也提高到llm/Wo到了80年代初,出現了GaAIAs的LED光源,使得紅色LED的光效達到lOlm/W o90年代初,發紅光、黃光的InGaAIP和發綠光、藍光的InGaN研發成功,使LED的光效得到大幅度的提高。在2000午,前者做成的LED在紅色、橙色區(ap=61snm)的光效達到lOOlm/W,而后者制成的LED在綠色區域(雒=530nm)的光效可以達到501m/Wo現在的LED已能發出紅色、黃色、藍色、綠色、橙色、琥珀色、藍綠雙色、紅綠雙色、黃綠色、純綠色、翠綠色、白色等各種光束。

  對于一般照明而言,人們更需要白色的光源0 1 998年,白光LED研發成功。白光LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石(AG)封裝在一起做成的o GaN芯片發藍光(砧=465nm,Wd=30nm),高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光,峰值為550nm o藍光LED基片安裝在碗形反射腔中,覆蓋以混有YAG的樹脂薄層,厚約200 4500nmo LED基片發出的藍光一部分被熒光粉吸收,另一部分與熒光粉發出的黃光混合,得到白光?,F在,對于InGaN/YAG白色LED,通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度,可以獲得色溫為3500~10 000K的各色白光。
  
  半導體材料的發光機理決定了單一LED芯片不能發出連續光譜的白光,必須以其他方式合成白光。目前產生白光的方式有兩種:一種是用單色光激發熒光粉發出其他顏色的光,最終混合成白光,即單芯片型;另一種是將幾種發不同色光的芯片封裝在一起,構成發白光的LED,即多芯片型。白光LED類型及其原理見表1-1 0單芯片型結構又可分為三種。


  (1)將藍色LED GaIn:N芯片與釔鋁石榴石(YAG)熒光粉組合成二基色白光LED,或由InGaN(藍兆峰值430nm或470nm)與紅色(650nm)、綠色(540nm)熒光粉組成三基色白光LED o(2)利用藍色ZnSe為基體制成芯片,與襯基發出的黃光復合成白光。

  (3)用InGaN LED發出的紫外光激勵三基色熒光粉發出白光。

  單色光LED的應用
  最初LED用做儀器儀表的指示光源,后來各種色光的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用,產生了很好的經濟效益和社會效益。以+12英寸(in)的紅色交通信號燈為例,在美國交通信號燈本來是采用長壽命、低光效的140W白熾燈作為光源的,它產生20001m的白光。經紅色濾光片后,光損失90070,只剩下2001m的紅光。而在新設計的燈中,Lumileds公司采用了1 8個紅色LED光源,包括電路損失在內,共耗電14W,可產生同樣的光效。

  汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域0 1987年,我國開始在汽車上安裝高位剎車燈,由于LED響應速度快(納秒級),可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況,在一定程度上減少了汽車追尾事故的發生。另外,LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏,匙扣式微型電筒等領域也得到了應用。

  白光LED的出現,是LED從指示性功能向照明功能跨出的實質性的一步。白光LED最接近日光,更能較好地反映照射物體的真實顏色,所以,從技術角度看,白光LED無疑是LED最尖端的技術。

  白光LED的應用市場非常廣泛,也是取代白熾鎢絲燈泡及熒光燈的“殺手’’o目前,白光LED已開始進入一些應用領域,應急燈、手電筒、閃光燈等產品相繼問世。但是,由于其價格十分昂貴,故而難以普及。一組亮度相當于40W白熾燈的白色LED,其售價為220美元。白色LED普及的前提是價格下降,而價格下降必須在白色LED形成一定的市場規模后才有可能’,毫無疑問,兩者的融合最終有賴于技術進步。

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