LED 的结构及发光原理

LED 的结构及发光原理 一、LED 的结构及发光原理50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960 年。LED 是英文light emitting diode (发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED 的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片,在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层,称为p-n 结。在某些半导体材料的PN 结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED 。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED 阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。 二、LED 光源的特点 1. 电压:LED 使用低压电源,供电电压在6-24V 之间,根据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源 更安全的电源,特别适用于公共场所。 2. 效能:消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 3. 适用性:很小,每个单元LED 小片是3-5mm 的正方形,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境 4. 稳定性:10 万小时,光衰为初始的50% 5. 响应时间:其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED 灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染:无有害金属汞 7. 颜色:改变电流可以变色,发光二极管方便地通过化学修饰,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED ,随着电流的增加,可以依次变为橙色,黄色,最后为绿色 8. 价格:LED 的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当,而通常每组信号灯需由上300 ~500 只二极管构成。 三、单色光LED 的种类及其发展历史 最早应用半导体P-N 结发光原理制成的LED 光源问世于20 世纪60 年代初。当时所用的材料是GaAsP ,发红光(λ p =650nm ),在驱动电流为20 毫安时,光通量只有千分之几个流明,相应的发光效率约0.1 流明/ 瓦。70 年代中期,引入元素In 和N ,使LED 产生绿光(λ p =555nm ),黄光(λ p =590nm )和橙光(λ p =610nm ),光效也提高到1 流明/ 瓦。到了80 年代初,出现了GaAlAs 的LED 光源,使得红色LED 的光效达到10 流明/ 瓦。90 年代初,发红光、黄光的GaAlInP 和发绿、蓝光的GaInN 两种新材料的开发成功,使LED 的光效得到大幅度的提高。在2000 年,前者做成的LED 在红、橙区(λ p =615nm )的光效达到100 流明/ 瓦,而后者制成的LED 在绿色区域(λ p =530nm )的光效可以达到50 流明/ 瓦。 四、单色光LED 的应用 最初LED 用作仪器仪的指示光源,后来各种光色的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 英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140 瓦白炽灯作为光源,它产生2000 流明的白光。经红色滤光片后,光损失90% ,只剩下200 流明的红光。而在新的灯中,Lumileds 公司采用了18 个红色LED 光源,包括电路损失在内,共耗电14 瓦,即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED 光源应用的重要领域。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,减少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都得到了应用。 五、白光LED 的开发 对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998 年发白光的LED 开发成功。这种LED 是将GaN 芯片和钇铝石榴石(YAG )封装在一起做成。GaN 芯片发蓝光(λ p =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发射,峰值550nm 。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,约200-500nm 。LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。现在,对于InGaN/Y AG 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3500-10000K 的各色白光其实LED灯就是我们平常所说的节能灯。(这点是错的,日常使用的节能灯和LED的工作原理根本不一样!但是LED灯被称之为节能灯却是没有问题的) 不同功率的LED灯,价格是不一样的。而且不同的工艺,不同的外表材质也会造成价格的差异 六、新霓虹灯与LED灯优缺点的比较和竞争 以下针对霓虹灯与LED灯相关比较,加入最新的LED技术进去比较 1. LED光源有10000小时寿命吗? 按光衰7%,实际只有约50000小时。按光衰3%,实际运用可以达到80000小时。 2. LED不会发热吗? 会,需散热。本公司采用被动散热方式解决散热问题。 3. LED可取代白炽灯吗? 光通量,光效和显色性可以,但目前太贵且近几年不会有所下降。但可以通过提高产品的光通量从而降低替换白炽灯的成本。 4. LED可作普通光源简单地使用吗? [1]不行,要驱动电源,光学和热传导配合。 5. 二种光源性能和优点比较 霓虹灯的优势已被LED覆盖,但LED灯目前价太高。 6. 二种光源的电源比较 LED低压好,但防水性差和载电流过大。大颗粒1瓦的LED单灯输入电流在350mA。 7. 二种光源的控制技术比较 LED易实现,但霓虹灯成熟。 8. 二种光源的稳定性比较 LED不一致性大,霓虹灯相当稳定。少数产家可以做到相对稳定,比如用CREE 跟AOD 芯片相结合,取各自芯片的优点。 9. 二种光源的价格比较 LED较贵,但黄色和红色已相当,主要贵的是LED白光。 10. 二种光源户外使用比较 LED防水性差是户外使用的致命弱点。 11. 二种光源目前市场的比较 全球照明产品年产值420亿美元(中国150亿美元)LED光源现比例小于1% 制作led显示屏需要什么样的led灯 led灯的外观:制作户外led电子屏主要使用直插式椭圆led灯,制作户内led电子屏主 要使用表贴式led灯。 led灯的参数:亮度根据使用环境等因素而不同,波长红灯:620nm-625nm,绿灯波长: 520nm-525nm,蓝灯波长:465nm-470nm。 led-定义 LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。 最初LED用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的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英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了18个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。 对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(λp=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射,峰值550nm。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,约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。现在,对于InGaN/Y AG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3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度高,因此运用最多。 上个世纪60年代,科技工作者利用半导体PN结发光的原理,研制成了LED发光二极管。当时研制的LED,所用的材料是GaASP,其发光颜色为红色。经过近30年的发展,现在大家十分熟悉的LED,已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在近年才发展起来,这里向读者介绍有关照明用白光LED。 led-介绍 1.可见光的光谱和LED白光的关系。众所周之,可见光光谱的波长范围为380 nm~760nm,是人眼可感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的红光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的,因为白光不是单色光,而是由多种单色光合成的复合光,正如太阳光是由七种单色光合成的白色光,而彩色电视机中的白色光也是由三基色黄、绿、蓝合成。由此可见,要使LED发出白光,它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的LED,在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究,人眼睛所能见的白光,至少需两种光的混合,即二波长发光(蓝色光+黄色光)或三波长发光(蓝色光+绿色光+红色光)的模式。上述两种模式的白光,都需要蓝色光,所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术,即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。目前国际上掌握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家,所以白光LED的推广应用,尤其是高亮度白光LED在我国的推广还有一个过程。 2.白光LED的工艺结构和白色光源。对于一般照明,在工艺结构上,白光LED 通常采用两种方法形成,第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光;第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种方法产生白光的系统如图1所示,图中LED GaM芯片发蓝光(λp=465nm),它和YAG(钇铝石榴石)荧光粉封装在一起,当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光,结果,蓝光和黄光混合形成白光(构成LED的结构如图2所示)。第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起,通过各色光混合而产生白光。 3.白光LED照明新光源的应用前景。为了说明白光LED的特点,先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯,其光效为12~24流明/瓦;荧光灯和HID 灯的光效为50~120流明/瓦。对白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已达到15流明/瓦,这一指标与一般家用白炽灯相近,而在2000年时,白光LED的光效已达25流明/瓦,这一指标与卤钨灯相近。有公司预测,到2005年,LED的光效可达50流明/瓦,到2015年时,LED的光效可望达到150~200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源,将成可能的现实。 普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜,但光效低(灯的热效应白白耗电),寿命短,维护工作量大,但若用白光LED作照明,不仅光效高,而且寿命长(连续工作时间1000 0小时以上),几乎无需维护。目前,德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯;澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明;我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来,白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。 LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点,虽然价格较现有照明器材昂贵,仍被认为是它将不可避免地现有照明器件。 led-特点 LED特点和优点 LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,它有着广泛的用途。 体积小 LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小,非常的轻。 耗电量低 LED耗电非常低,一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就 是说:它消耗的电不超过0.1W。 使用寿命 在恰当的电流和电压下,LED的使用寿命可达10万小时 高亮度、低热量 环保 LED是由无毒的材料作成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用。 坚固耐用 LED是被完全的封装在环氧树脂里面,它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分,这些特点使得LED可以说是不易损坏的。 色温及颜色的应用: (1)光源的色温:人们用与光源的色温相等或相近的完全辐射体的绝对温度来描述光源的色表(人眼直接观察光源时所看到的颜色)又称光源的色温。色温是以绝对温度K来表示。不同的色温会引起人们在情绪上不同的反应,我们一般把光源的色温分成三类: a.暖色光:暖色光的色温在3300K以下,.暖色光与白炽灯光色相近,红光成分较多,给人以温暖、健康、舒适的感觉,适用于家庭、住宅、宿舍、医院、宾馆等场所,或温度比较低的地方。 b.暖白光:又叫中间色,它的色温在3300K-5300K之间。.暖白光光线柔和,使人有愉快、舒适、安祥的感觉,适用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等场所。 c.冷色光:又叫日光色,它的色温在5300K以上,光源接近自然光,有明亮的感觉,使人精力集中,适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。 演色性:光源对物体颜色呈现的程度称为演色性,也就是颜色的逼真的程度,演色性高的光源对颜色的表现较好,我们所看到的颜色也就较接近自然颜色,演色性低的光源对颜色的表现较差,我们所看到的颜色偏差也较大。 为何会有演色性高低之分呢?其关键在于该光线之分光特性,可见光之波长在380mm至780mm之范围内,也就是我们在光谱中见到的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光的范围,如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例与自然光相近,则我们眼睛所看到的颜色也就较为逼真。 我们一般以显色指数为表征显色性。颜色在标准光源的辐射下,显色指数定为100。当色标被试验光源照射时,颜色在视觉上的失真程度,就是这种光源的显色指数。显色指数越大,则失真越少,反之,失真越大,显色指数就越小。不同的场所对光源的显色指数要求是不一样的。在国际照明协会中一般把显色指数分成五类: 类别Ra 适用范围 1A >90 美术馆、博物馆及印刷等行业及场所 2B 80—90 家庭、饭馆、高级纺织工艺及相近行业 2 60—80 办公室、学校、室外街道照明 3 40—60 重工业工厂、室外街道照明 4 20—40 室外道路照明及一些要求不高的地方