《LED基礎(chǔ)知識》PPT課件

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1、 LED 的 基 礎(chǔ) 常 識 制 造 LED的 材 料 不 同 ， 可 以 產(chǎn) 生 具 有 不 同 能 量 的 光 子 ， 借 此 可 以 控 制 LED所 發(fā) 出光 的 波 長 ， 也 就 是 光 譜 或 顏 色 。 歷 史 上 第 一 個 LED所 使 用 的 材 料 是 砷 (As)化 鎵 (Ga) ,其正 向 PN結(jié) 壓 降 (VF， 可 以 理 解 為 點 亮 或 工 作 電 壓 )為 1.424V， 發(fā) 出 的 光 線 為 紅 外 光 譜 。另 一 種 常 用 的 LED材 料 為 磷 (P)化 鎵 (Ga)， 其 正 向 PN結(jié) 壓 降 為 2.261V， 發(fā) 出 的 光 線 為

2、 綠光 。 基 于 這 兩 種 材 料 ， 早 期 LED工 業(yè) 運 用 GaAs1-xPx材 枓 結(jié) 構(gòu) ， 理 論 上 可 以 生 產(chǎn) 從 紅 外光 一 直 到 綠 光 范 圍 內(nèi) 任 何 波 長 的 LED， 下 標 X代 表 磷 元 素 取 代 砷 元 素 的 百 分 比 。 一 般 通 過 PN結(jié) 壓 降 可 以 確 定 LED的 波 長 顏 色 。 其 中 典 型 的 有 GaAs0.6P0.4 的 紅 光 LED，GaAs0.35P0.65 的 橙 光 LED， GaAs0.14P0.86 的 黃 光 LED等 。 由 于 制 造 采 用 了 鎵 、 砷 、磷 三 種 元 素 ，

3、 所 以 俗 稱 這 些 LED為 三 元 素 發(fā) 光 管 。 而 GaN（ 氮 化 鎵 ） 的 藍 光 LED 、GaP 的 綠 光 LED和 GaAs紅 外 光 LED， 被 稱 為 二 元 素 發(fā) 光 管 。 而 目 前 最 新 的 工 藝 是 用 混合 鋁 (Al)、 鈣 (Ca) 、 銦 (In)和 氮 (N)四 種 元 素 的 AlGaInN 的 四 元 素 材 料 制 造 的 四 元 素LED， 可 以 涵 蓋 所 有 可 見 光 以 及 部 份 紫 外 光 的 光 譜 范 圍 。 LED 是 取 自 Light Emitting Diode 三 個 字 的 縮 寫 ， 中 文

4、譯 為 “ 發(fā) 光 二 極 管 ” ， 顧 名思 義 發(fā) 光 二 極 管 是 一 種 可 以 將 電 能 轉(zhuǎn) 化 為 光 能 的 電 子 器 件 具 有 二 極 管 的 特 性 。 不 同 的發(fā) 光 二 極 管 可 以 發(fā) 出 從 紅 外 到 藍 間 不 同 波 長 的 光 線 ， 目 前 發(fā) 出 紫 色 乃 至 紫 外 光 的 發(fā) 光二 極 管 也 已 經(jīng) 誕 生 。 除 此 之 外 還 有 在 藍 光 LED 上 涂 上 熒 光 粉 ， 將 藍 光 轉(zhuǎn) 化 成 白 光 的 白光 LED。 可 見 光 LED的 發(fā) 展 史 自 1970年 左 右 開 始 紅 光 LED的 光 功 率 不 斷

5、 上 升 ， 但 是 藍 光 LED的 特 性 到 1992年 后才 突 飛 猛 進 。 發(fā) 光 原 理LED 屬 于 半 導(dǎo) 體 組 件 ， 控 制 不 純 物 可 以 形 成 P 型 與 N 型 半 導(dǎo) 體 ， P 型 與 N 型 半 導(dǎo) 體 兩者 組 合 就 可 構(gòu) 成 二 極 管 (Diode)， 二 極 管 通 電 時 會 發(fā) 光 。動 作 上 它 是 施 加 電 流 使 電 子 與 電 洞 (Hole)再 結(jié) 合 ， 接 著 利 用 半 導(dǎo) 體 的 Band Gap 能 量(亦 即 能 隙 )獲 得 一 定 波 長 的 發(fā) 光 。 假 設(shè) 發(fā) 光 是 在 P區(qū) 中 發(fā) 生 的 ，

6、那 么 注 入 的 電 子 與 價 帶 空 穴 直 接 復(fù) 合 而 發(fā) 光 ， 或 者 先 被發(fā) 光 中 心 捕 獲 后 ， 再 與 空 穴 復(fù) 合 發(fā) 光 。 除 了 這 種 發(fā) 光 復(fù) 合 外 ， 還 有 些 電 子 被 非 發(fā) 光 中心 （ 這 個 中 心 介 于 導(dǎo) 帶 、 介 帶 中 間 附 近 ） 捕 獲 ， 而 后 再 與 空 穴 復(fù) 合 ， 每 次 釋 放 的 能 量不 大 ， 不 能 形 成 可 見 光 。 發(fā) 光 的 復(fù) 合 量 相 對 于 非 發(fā) 光 復(fù) 合 量 的 比 例 越 大 ， 光 量 子 效 率越 高 。 由 于 復(fù) 合 是 在 少 子 擴 散 區(qū) 內(nèi) 發(fā) 光

7、的 ， 所 以 光 僅 在 靠 近 PN結(jié) 面 數(shù) m以 內(nèi) 產(chǎn) 生 。 發(fā) 光 原 理 發(fā) 光 材 料 與 波 長 Band Gap 隨 著 半 導(dǎo) 體 材料 不 同 ， 也 就 是 說 半 導(dǎo) 體材 料 的 選 擇 可 以 改 變 發(fā) 光色 。 下 表 是 半 導(dǎo) 體 材 料 與發(fā) 光 波 長 、 發(fā) 光 色 的 關(guān) 系 ，以 InGaAlP 為 例 ， 構(gòu) 成 元素 (In, Ga, Al, P)之 中 ， 改變 主 要 元 素 Al 的 混 晶 比 率 ， 就 可 以 獲 得 紅 綠 色 的 發(fā)光 。 色 的 3 原 色 與 光 的 3 原 色 不 同 ， 色 的 3 原 色 為 紅

8、、 藍 、 黃 ； 光 的 3 原 色 則 為 紅 、 藍 、 綠 。 混 合 色 的 3 原 色 時 變 成 黑 色 ； 混 合 光 的 3 原 色 則 變 成 白 色 。以 LED 形 成 白 光 的 方 式 可 以 分 成 2 種 ， 分 別 是 :a.組 合 紅 、 藍 、 綠 LED 變 成 白 光 。b.藍 光 或 是 紫 外 線 發(fā) 光 LED， 搭 配 熒 光 體 變 成 白 光 。 組 合 紅 、 藍 、 綠 LED 形 成 白 光 方 式 ， 一 般 稱 為 RGB 發(fā) 光 ， 上 述 組 合 光 的 3 原 色 形成 白 光 的 方 式 ， 主 要 特 征 為 高 色 再

9、 現(xiàn) 性 。 藍 光 搭 配 熒 光 體 形 成 白 光 是 目 前 主 流 ， 它 是 利 用 黃 色 熒 光 體 的 吸 收 、 激 發(fā) 特 性 ，使 部 份 藍 色 發(fā) 光 轉(zhuǎn) 換 成 黃 色 光 線 ， 藍 色 光 線 再 與 黃 色 光 線 形 成 白 光 。 IF :順 向 電 流 (Forward Current)， 表 示 施 加 于 順 方 向 的 電 流 。 VF :順 向 電 壓 (Forward Voltage)， 表 示 施 加 于 順 方 向 的 電 壓 。 IR :逆 向 電 流 (Reverse Current)， 表 示 施 加 于 逆 方 向 的 電 流 。

10、 VR :逆 向 電 壓 (Reverse Voltage)， 表 示 施 加 于 逆 方 向 的 電 壓 。 F :光 束 (Luminous Flux)， 它 是 亮 度 的 用 語 ， 表 示 光 線 全 光 量 的 亮 度 。 IV :光 度 (Luminous Intensity)， 它 也 是 亮 度 的 用 語 ， 表 示 某 個 方 向 單 位立 體 角 范 圍 內(nèi) 的 光 線 亮 度 。 p :峰 值 波 長 (Peak Wave)， 表 示 最 大 發(fā) 光 強 度 時 的 波 長 。 d :Dominant波 長 (Dominant Wave)， 表 示 人 眼 感 受 的

11、 單 波 長 。 Cx :色 度 坐 標 (Chromaticity x,y)， 它 利 用 x,y坐 標 表 示 顏 色 。 21/2 :指 向 角 ， 光 線 的 發(fā) 光 強 度 變 成 1/2 時 ， 表 示 光 線 的 擴 散 角 度 。 LED特 性 參 數(shù) （ 1） 允 許 功 耗 Pm:允 許 加 于 LED兩 端 正 向 直 流 電 壓 與流 過 它 的 電 流 之 積 的 最 大 值 。 超 過 此 值 ， LED發(fā) 熱 、損 壞 。 （ 2） 最 大 正 向 直 流 電 流 Ifm： 允 許 加 的 最 大 的 正 向 直流 電 流 。 超 過 此 值 可 損 壞 二 極

12、管 。 （ 3） 最 大 反 向 電 壓 Vrm： 所 允 許 加 的 最 大 反 向 電 壓 。超 過 此 值 ， 發(fā) 光 二 極 管 可 能 被 擊 穿 損 壞 。（ 4） 工 作 環(huán) 境 溫 度 :發(fā) 光 二 極 管 可 正 常 工 作 的 環(huán) 境 溫度 范 圍 。 低 于 或 高 于 此 溫 度 范 圍 ， 發(fā) 光 二 極 管 將 不 能正 常 工 作 ， 效 率 大 大 降 低 。 在 正 向 電 壓 正 小 于 某 一 值 （ 閾 值 ）時 ， 電 流 極 小 ， 不 發(fā) 光 。 當 電 壓超 過 某 一 值 后 ， 正 向 電 流 隨 電 壓迅 速 增 加 ， 發(fā) 光 。 由 V

13、-I曲 線 可 以得 出 發(fā) 光 管 的 正 向 電 壓 ， 反 向 電 流 及 反 向 電 壓 等 參 數(shù) 。 正 向 的 發(fā)光 管 反 向 漏 電 流 IR10A以 下 。 極 限 參 數(shù) 的 意 義 LED的 分 類 1 按 發(fā) 光 管 發(fā) 光 顏 色 分 按 發(fā) 光 管 發(fā) 光 顏 色 分 ， 可 分 成 紅 色 、 橙 色 、 綠 色 （ 又 細 分 黃 綠 、 標 準 綠 和 純綠 ） 、 藍 光 等 。 另 外 ， 有 的 發(fā) 光 二 極 管 中 包 含 二 種 或 三 種 顏 色 的 芯 片 。 根 據(jù) 發(fā) 光 二 極管 出 光 處 摻 或 不 摻 散 射 劑 、 有 色 還

14、是 無 色 ， 上 述 各 種 顏 色 的 發(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 。 2 按 發(fā) 光 管 出 光 面 特 征 分 按 發(fā) 光 管 出 光 面 特 征 分 圓 燈 、 方 燈 、 矩 形 、 面 發(fā) 光 管 、側(cè) 向 管 、 表 面 安 裝 用 微 型 管 等 。 最 常 見 的 是 圓 燈 ， 按直 徑 分 為 2mm、 4.4mm、 5mm、 8mm、10mm及 20mm等 。 由 半 值 角 大 小 可 以 估 計 圓 形 發(fā) 光 強 度 角 分 布 情 況 。 從 發(fā) 光 強 度 角

15、分 布 圖 來 分 有 三 類 ： （ 1） 高 指 向 性 。 一 般 為 尖 頭 環(huán) 氧 封 裝 ， 或 是 帶 金 屬 反 射 腔 封 裝 ， 且 不 加 散 射 劑 。 半值 角 為 5 20 或 更 小 ， 具 有 很 高 的 指 向 性 ， 可 作 局 部 照 明 光 源 用 （ 2） 標 準 型 。 通常 作 指 示 燈 用 ， 其 半 值 角 為 20 45 。 （ 3） 散 射 型 。 這 是 視 角 較 大 的 指 示 燈 ， 半 值 角 為 45 90 或 更 大 ， 散 射 劑 的 量 較大 。 按 發(fā) 光 強 度 和 工 作 電 流 分 有 普 通 亮 度 的 LED

16、（ 發(fā) 光 強 度 100mcd） ； 把 發(fā) 光 強 度 在 10 100mcd間 的 叫 高 亮 度 發(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 法 。 按 發(fā) 光 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 分 有 全 環(huán) 氧 包 封 、 金 屬 底 座 環(huán) 氧 封 裝 、 陶 瓷 底 座 環(huán) 氧 封 裝 及 玻璃 封 裝 等 結(jié) 構(gòu) 。 3 按 發(fā)

17、 光 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 分4 按 發(fā) 光 強 度 和 工 作 電 流 分 使 用 LED 的 注 意 事 項LED 的 發(fā) 熱LED 的 發(fā) 光 波 長 若 與 傳 統(tǒng) 白 熾 燈 泡 比 較 的 確 不 含 紅 外 成 份 ， 也 就 是 說 從 LED 出 射 的放 射 光 幾 乎 不 具 熱 能 ， 不 過 若 對 LED 施 加 電 流 LED 就 會 發(fā) 熱 ， 主 要 原 因 是 LED 內(nèi) 部產(chǎn) 生 的 光 線 只 有 數(shù) 30%出 射 到 外 部 ， 除 此 以 外 的 能 量 亦 即 消 費 能 量 的 大 部 份 已 經(jīng) 轉(zhuǎn)變 成 熱 能 ， 因 此 只 要 對 LE

18、D 施 加 電 流 LED 就 會 發(fā) 熱 。以 往 的 LED驅(qū) 動 電 流 只 有 數(shù) 十 mA， 消 費 電 力 大 約 0.1W左 右 ， 最 近 幾 年 消 費 電 力 高 達數(shù) W的 LED陸 續(xù) 問 世 ， 裝 設(shè) 散 熱 鰭 片 或 是 將 LED封 裝 在 金 屬 基 板 ， 主 要 訴 求 都 是 使LED的 發(fā) 熱 可 以 更 容 易 散 逸 到 外 部 。 提 高 LED的 發(fā) 光 效 率提 高 LED的 發(fā) 光 效 率 根 本 上 必 需 改 善 LED組 件 本 身 的 輸 出 ， 這 意 味 著 組 件 的 封 裝 技 術(shù) 非 常重 要 。IF一 定 時 的 亮

19、度一 般 人 都 誤 解 一 定 的 順 向 電 流 IF時 ， LED的 亮 度 也 會 成 為 一 定 ， 然 而 實 際 上 并 非 如 此 ，從 施 加 電 流 一 直 到 溫 度 成 為 一 定 為 止 LED的 亮 度 會 持 續(xù) 下 降 ， 發(fā) 熱 穩(wěn) 定 后 LED的 亮 度才 會 穩(wěn) 定 下 來 。LED 的 壽 命LED 的 壽 命 一 般 是 以 亮 度 降 至 初 期 值 50%所 需 要 的 時 間 表 示 ， LED 的 壽 命 隨 著 發(fā) 光 色 、封 裝 材 料 、 封 裝 樹 脂 不 同 也 很 大 差 異 ， 除 此 之 外 使 用 環(huán) 境 、 條 件 都

20、會 改 變 LED 的 壽 命 ， 一 般 而 言 過 酷 條 件 LED的 壽 命 相 對 降 低 。 LED的 應(yīng) 用 室 內(nèi) 照 明 可 移 動 照 明 展 示 、 裝 飾 照 明 汽 車 尾 燈 甚 至 大 前 燈 LED In Backlight LED的 發(fā) 展 趨 勢2006年 全 球 發(fā) 光 二 極 管 市 場 規(guī) 模 62億 美 元 。 展 望 未 來 發(fā) 展 ， 一 般 照 明 、 汽 車 、 顯 示 器背 光 源 將 成 為 帶 動 市 場 成 長 最 關(guān) 鍵 ， 預(yù) 估 2010 年 全 球 市 場 將 成 長 至 103 億 美 元 ?？?見 光 發(fā) 光 二 極 體 市 場 比 重 持 續(xù) 攀 升高 亮 度 發(fā) 光 二 極 體 市 場 快 速 增 長可 攜 式 產(chǎn) 品 市 場 佔 有 率 下 滑產(chǎn) 品 單 價 持 續(xù) 下 滑