LED的结构及发光原理.pdf

节能减排是我们的共同责任 Http 全球服务热线 400 6776 676 LED 的结构及发光原理 一 LED 的结构 LED 是英文 light emitting diode 发光二极管 的缩写 是一种能够将电能转化为可见光的半导体 它改变了白炽 灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理 而采用电场发光 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 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 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 LED 光源的特点非常明显 寿命长 光效高 无辐射与低功耗 LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段 其发光效率 可达 80 90 将 LED 与普通白炽灯 螺旋节能灯及 T5 三基色荧光灯进行对比 结果显示 普通白炽灯的光效为 12lm W 寿命小于 2000 小时 螺旋节能灯的光效为 60lm W 寿命小于 8000 小时 T5 荧光灯则为 96lm W 寿命大 约为 10000 小时 而直径为 5 毫米的白光 LED 为 20 28lm W 寿命可大于 100000 小时 有人还预测 未来的 LED 寿命上限将无穷大 具体表现在以下几方面 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方法 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 LED 灯的优点 点亮无延迟 响应时间更快 传统玻壳灯泡则有 0 3 秒的延迟 防止追尾 更强的抗震性能 发光纯度高 无需灯罩滤光 光波长误差在 10 纳米以内 发光热量很小 对灯具材料的耐热性要求不是很高 光束集中 更易于控制 且不需要用反射器聚光 有利于减小灯具的深度 品耀光电 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 节能减排是我们的共同责任 Http 全球服务热线 400 6776 676 耗电量低 达到传统灯泡同等的发光亮度时 耗电量仅为传统灯泡的 6 省电节油 超长寿命 无灯丝结构不发热 正常使用在 6 年以上 车辆控制电路不易氧化 四 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 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 20 世纪 70 年代中期 引入元素 In 和 N 使 LED 产生绿光 p 555nm 黄光 p 590nm 和橙光 p 610nm 光效也提高到 1 流明 瓦 到了 20 世纪 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 20 世纪 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 p 615nm 的光效达到 100 流明 瓦 而后者制成的 LED 在 绿色区域 p 530nm 的光效可以达到 50 流明 瓦 五 单色光 LED 的应用 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 近年来 汽车外形由于设计上的需要 空气动力学的要求及美观的需求 低侧面流线形的外形越来越受欢迎 尾灯的 形状也朝着异型化和一体化发展 汽车 LED 灯根据应用可分为配光用灯和装饰用灯两种 配光灯适用于仪表指示灯背光 显示 前后转灯 刹车指示灯 倒车灯 雾灯 阅读灯等功能性方面 装饰灯主要用于汽车灯光色彩变换 起车内外美化 作用 近几年随着部分车用 LED 亮度问题的解决和成本的下降 其应用量有所增长 国内常见的 本田雅阁 日产天籁 皇冠 锐志 凯迪拉克系列 别克荣御等都已经采用了 LED 尾灯 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 LED 灯制造及其应用列举如下 1 LED 芯片荧光节能灯 2 卡合连接的汽车 LED 灯组件 5 具有发光二极管 LED 的信号灯 6 尤其用于机动车灯盒的柔性 LED 多重模块 8 混合集成 LED 高效率全色彩灯 9 用作信号灯的 LED 灯 品耀光电 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 节能减排是我们的共同责任 Http 全球服务热线 400 6776 676 10 LED 灯及其制造方法 11 LED 光源组件及用其制作的整体式矿用头灯 12 带 LED 灯的扬声器系统及其控制装置 13 发光二极管 LED 柔光管形灯 日光灯 14 发光二极管 LED 灯及灯具 15 可调整色温的 LED 灯 16 LED 逐点控制数码美耐灯 18 高效节能 LED 植物生态灯 19 LED 灯设备及方法 20 LED 自启式小夜灯 五 LED 灯的分类 1 LED 灯按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分 可分成红色 橙色 绿色 又细分黄绿 标准绿和纯绿 蓝光等 另外 有的发光二极管中 包含二种或三种颜色的芯片 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂 有色还是无色 上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明 无色透明 有色散射和无色散射四种类型 散射型发光二极管和达于做指示灯用 2 LED 灯按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧向管 表面安装用微型管等 圆形灯按直径分为 2mm 4 4mm 5mm 8mm 10mm 及 20mm 等 国外通常把 3mm 的发光二极管记作 T 1 把 5mm 的记作 T 1 3 4 把 4 4mm 的记作 T 1 1 4 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况 从发光强度角分布图来分有三类 1 高指向性 一般为尖头环氧封装 或是带金属反射腔封装 且不加散射剂 半值角为 5 20 或更小 具有很高的 指向性 可作局部照明光源用 或与光检出器联用以组成自动检测系统 2 标准型 通常作指示灯用 其半值角为 20 45 3 散射型 这是视角较大的指示灯 半值角为 45 90 或更大 散射剂的量较大 3 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封 金属底座环氧封装 陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构 4 按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED 发光强度 100mcd