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LED灯基础知识

日期:2013-05-15 17:51:59 人气:

  LED的基本概念
  发光二极管简称LED o不同材料制成的发光二极管,发出不同颜色的光。由镓(Ga)、砷(As)、磷(P)的化合物制成的发光二极管中,有发红光的磷砷化镓( GaAsP)二极管、发绿光的磷化镓( GaP)二极管、发黄光的碳化硅(SiC)二极管,当其电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而利用该特性制成LED o LED在电路及仪器中常常作为指示灯,或者组成矩阵显示文字或数字。

  LED是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能o LED写普通二极管一样都是由一个PN结组成的,同时具有单向导电性。当给LED加上正向偏置电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的台邕量状态不同,电子和空穴复合时释放出的能量大小不同。释放出的能量越多,发出的光的波长越短。

  LED的基本结构与发光原理
  1.LED的基本工作原理LED是一种直接注入电流的发光器件,是半导体晶体内部受激电子从高能级回到低台皂级时,发射出光子的结果,这就是通常所说的自发发射跃迁。当LED的PN结加上正向偏置电压时,注入的少数载流子和多数载流子(电子和空穴)复合而发光。值得注意的是,大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列列的光波,~各列光波之间没有固定的相位关系,可以有不同的偏振方向,并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播,这个过程称为自发发射。

  2.LED的基本结构传统LED与大功率LED的基本结构,如图1-1所示。传统LED芯片被固定在导电、导热的带两根引线的金属支架上,有反射杯(或反光碗)的引线为负级,另外一根引线为正级。芯片钋围封以环氧树脂(帽),一方面可以保护芯片,另一方面起(透镜)聚光作用。

  LED的两根引脚不一样长时,其中较长的一根为正极。如果LED的两根引线一样长,则通常在管壳上有一凸起的小舌,靠近小舌的引线是正极oLED灯主要由支架、银胶、晶片、金线和环氧树脂等组成。

  LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下可产生比矽Smm LED大10~20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装也是其关键技术。目前,能承受数瓦功率的LED封装已出现,其中5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货,其中白色LED的光通量达1871m,光效为44.31m/W o并.已开发出可承受10W功率的LED大面积管,尺寸为2.5mmX2.5mm,可在5A电流下工作,其光通量达2001m,作为固体照明光源有很大的发展空间。

  功率型LED的热特性直接影响LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。

  LED芯片是LED器件的核心,其结构如图1-2所示o LED芯片为分层结构,芯片两端是金属电极;底部为衬底材料;中间是由P型层和N型层构成的PN结;发光层被夹在P型层和N型层之间,是发光的核心区域o P型层、N型层和发光层利用特殊的外延生长工艺在衬底材料上制得。在芯片工作时.P型层和N型层分别提供发光所需要的空穴和电子,它们被注入到发光层复合而产生光oLED的封装示意图如图1-3所示。实际中的芯片结构比其要复杂得多oLED芯片制作技术是21世纪的高新技术之一。

  LED的图形符号如图1-4所示,其文字符号用Ⅵ)表示。低压直流供电(如电池)的简单工作电路,如图1-5所示o LED工作在正向电压偏置时,其发光亮度随正向电流斥的增大而增强。为限制其工作电流,电路中通常需要串联一个限流电阻(亦称镇流电阻)Ro普通小功率LED工作时的正向电压降赡为1.5- 3.5V,工作电流斥为5~20mA o而白光LED的正向电压降范围通常为3.0~3.5V,大功率白光LED的工作电流达350mA乃至1 A以上,如图1.6所示。

  3.LED的发光原理LED的核心是PN结。因此它具有一般PN结的单向导电特性,即正向导通、反向截止及击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向偏置电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1.7所示。

  假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合而发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(导带、价带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以仅在靠近PN结的数微米以内产生光。

  理论和实践证明,光的峰值波长力与发光区域的半导体材料的禁带宽度Eg有关,即允≈1240/Eg(mm) (1-2)式中,Eg的单位为电子伏特(eV)o若能产生可见光,则其波长为3 80(紫光)~780nm(红光)o半导体材料的尾应为3.26--1.63eVo。

  LED的特点
  LED作为一种出现时间最晚的照明技术,自20世纪60年代诞生以来,得到了长足的发展和应用p而相对于白炽灯、荧光灯等老一代发光器件,LED的特点主要体现在以下几方面。

  ①电压oLED是低压器件,驱动单颗LED的电压仅需2.5~3.5V,驱动电流为几十到几百毫安,不会造成触电事故,因此比较安全,也适用于低电压电源的场所。

  ②耗能。消耗能量较同光效的白炽灯减少80%0③适用性oLED体积小、重量轻和厚度薄的特点大大拓展了其应用空间,可以用来生产各种形状的器件,并且适合于易变的环境。

  ④稳定性。工作1 0万小时后,光衰为初始的500700⑤响应时间。白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级。

  ⑥环保oLED中无有害金属水银(汞)o⑦颜色。不同的芯片材料可以获得不同的单色LED,而相同的芯片材料在不同的外延片部位产生的LED酌光色也各不相同o LED方便地通过化学修饰方法调整材料的能带结构和禁带宽度,可实现红、黄、绿、蓝、橙等多色发光。红光工作电压较小,颜色不同的红、橙、黄、绿、蓝的LED的工作电压依次升高。

  ⑧价格oLED的价格现在越来越平民化,因LED省电的特性,推测不久的将来,人们都会把白炽灯换成LED灯。现在,我国部分城市的公路、学校、厂区等场所已换装LED路灯、庭院灯等。

  ⑨抗震性能好oLED是一种电致发光光源,其结构特性决定了震动对其影响较小。

  单色光LED的种类及其发展历史
  LED出现于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaA sP,发红光(砧=650nm),在驱动电流为20mA时,光通量只有千分之几流明,相应的发光效率约O.llm/W o70年代中期,引入元素铟(In)和氮(N),使LED可产生绿光(~p=555nm)、黄光(~p=590nm)和橙光(ap=610nm),光效也提高到llm/Wo到了80年代初,出现了GaAIAs的LED光源,使得红色LED的光效达到lOlm/W o90年代初,发红光、黄光的InGaAIP和发绿光、蓝光的InGaN研发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。在2000午,前者做成的LED在红色、橙色区(ap=61snm)的光效达到lOOlm/W,而后者制成的LED在绿色区域(雒=530nm)的光效可以达到501m/Wo现在的LED已能发出红色、黄色、蓝色、绿色、橙色、琥珀色、蓝绿双色、红绿双色、黄绿色、纯绿色、翠绿色、白色等各种光束。

  对于一般照明而言,人们更需要白色的光源0 1 998年,白光LED研发成功。白光LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(AG)封装在一起做成的o GaN芯片发蓝光(砧=465nm,Wd=30nm),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光,峰值为550nm o蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,厚约200 4500nmo LED基片发出的蓝光一部分被荧光粉吸收,另一部分与荧光粉发出的黄光混合,得到白光。现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温为3500~10 000K的各色白光。
  
  半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不能发出连续光谱的白光,必须以其他方式合成白光。目前产生白光的方式有两种:一种是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光,最终混合成白光,即单芯片型;另一种是将几种发不同色光的芯片封装在一起,构成发白光的LED,即多芯片型。白光LED类型及其原理见表1-1 0单芯片型结构又可分为三种。


  (1)将蓝色LED GaIn:N芯片与钇铝石榴石(YAG)荧光粉组合成二基色白光LED,或由InGaN(蓝兆峰值430nm或470nm)与红色(650nm)、绿色(540nm)荧光粉组成三基色白光LED o(2)利用蓝色ZnSe为基体制成芯片,与衬基发出的黄光复合成白光。

  (3)用InGaN LED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。

  单色光LED的应用
  最初LED用做仪器仪表的指示光源,后来各种色光的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以+12英寸(in)的红色交通信号灯为例,在美国交通信号灯本来是采用长寿命、低光效的140W白炽灯作为光源的,它产生20001m的白光。经红色滤光片后,光损失90070,只剩下2001m的红光。而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了1 8个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14W,可产生同样的光效。

  汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域0 1987年,我国开始在汽车上安装高位刹车灯,由于LED响应速度快(纳秒级),可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况,在一定程度上减少了汽车追尾事故的发生。另外,LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏,匙扣式微型电筒等领域也得到了应用。

  白光LED的出现,是LED从指示性功能向照明功能跨出的实质性的一步。白光LED最接近日光,更能较好地反映照射物体的真实颜色,所以,从技术角度看,白光LED无疑是LED最尖端的技术。

  白光LED的应用市场非常广泛,也是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手’’o目前,白光LED已开始进入一些应用领域,应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。但是,由于其价格十分昂贵,故而难以普及。一组亮度相当于40W白炽灯的白色LED,其售价为220美元。白色LED普及的前提是价格下降,而价格下降必须在白色LED形成一定的市场规模后才有可能’,毫无疑问,两者的融合最终有赖于技术进步。