LED发光原理及光电参数.ppt

LED简介 发光原理及光电参数 奥运会开幕式上海世博照明革命LED绿色能源 LED基本信息 LED是lightemittingdiodes的英文缩写 中文为发光二极管 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 LED优点 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 使用寿命长在恰当的电流和电压下 LED的使用寿命 光衰减到70 可达10万小时响应时间短适合频繁开关及高频运作场合 光线质量好光谱中没有紫外线和红外线 故没有辐射和热量 属于典型的绿色照明光源环保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 LED分類與應用 InGaAs AlGaAs InGaAsP AlGaInAs LED发展史 1962年 GE用气相外延 VPE 制成发出红光的的磷砷化镓半导体化合物1968年 LED灯的研发取得突破性进展 利用氮掺杂工艺达到1流明 瓦 LED并且发出红光 橙光和黄光1971年 业界推出相同效率的GaP绿色芯片LED灯80年代早期重大技术突破开发了AlGaAsLED灯 以每瓦10流明的发光效率发出红光1990年 美国HP和日本东芝成功研制InGaAlPLED器件1993年 日本日亚公司的中村修二在GaN基片上研制成第一只蓝色LED20世纪90年代后期 研制成蓝光激发YAG产生白光的LED灯2000年以后LED器件进入照明用的功率器件阶段2008年12月 CREE1W功率LED达到161流明 瓦LED节能灯发展像计算机一样 遵守摩尔定律 每18个月亮度翻一番 LED制作简图 GaN芯片示意图 常规GaNITO芯片工艺 常规GaNITO芯片工艺演示图 外延片 ITO 光刻胶 SiO2 Metal蒸镀 P电极 N电极 GaAs工艺演示图 GaAs Au电极 工艺演示图 正金熔合 背金熔合 外延片 LED工作原理 发光二极管是少数载流子在P N结区的注入和复合而产生发光的一种半导体光源LED的發光顏色取決於電子與空穴結合所釋放出來的能量高低 主要是由半導體材料的能隙大小 量子效應 應力 與壓電效應等特性所決定 工作原理 当加上正向偏压时 在外电场的作用下 P区的空穴和N区的电子就向对方扩散动 构成少数载流子的注入 从而P N结附近产生导带电子和价带空穴的复合 一个电子和一个空穴的每一次复合 将释放出与材料性质有关的一定复合能量 这个能量会与热能 光能或者部分热能和部分光能的形式辐射出来 理论和实践证明 光的峰值波长 与发光区域的半导体材料禁带宽度 g有关即 1240 Eg mm 式中Eg的单位为电子伏特 eV 若能产生可见光 波长在380nm紫光 780nm红光 半导体材料的Eg应在3 26 1 63eV之间 比红光波长长的光为红外光 LED电性能 LED其核心是PN结 因此它具有一般P N结的特性 即正向导通 反向截止 击穿特性 电性能 在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质 在电场的作用下 空穴是可以移动的 而电离杂质 离子 是固定不动的 N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子 当P型和N型半导体接触时 在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散 电子从N型半导体向P型半导体扩散 空穴和电子相遇而复合 载流子消失 因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子 却有分布在空间的带电的固定离子 称为空间电荷区 电性能 P型半导体一边的空间电荷是负离子 N型半导体一边的空间电荷是正离子 正负离子在界面附近产生电场 这电场阻止载流子进一步扩散 达到平衡 电性能 在PN结上外加一电压 如果P型一边接正极 N型一边接负极 电流便从P型一边流向N型一边 空穴和电子都向界面运动 使空间电荷区变窄 甚至消失 电流可以顺利通过 电性能 如果N型一边接外加电压的正极 P型一边接负极 则空穴和电子都向远离界面的方向运动 使空间电荷区变宽 电流不能流过 这就是PN结的单向导性 电性能 PN结加反向电压时 空间电荷区变宽 区中电场增强 反向电压增大到一定程度时 反向电流将突然增大 如果外电路不能限制电流 则电流会大到将PN结烧毁 反向电流突然增大时的电压称击穿电压 电性能 反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下 流过二极管的反向电流 反向电流越小 管子的单方向导电性能越好 2020 3 17 25 可编辑 电性能 在正向电压正小于某一值 叫阈值 时 电流极小 不发光 当电压超过某一值后 正向电流随电压迅速增加 发光 由V I曲线可以得出发光管的正向电压 反向电流及反向电压等参数 特性参数 量子效率是发光二极管特性中一个与辐射量有关的重要参数 它反映了注入载流子复合产生光量子的效率量子效率分内量子效率和外量子效率外量子效率 单位时间内输出二极管外的光子数目 注入的载流子数目内量子效率 单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目 注入的载流子数目 LED光性能 在光学中 用来描述辐射能强度的量有两类 一类物理的 叫做辐射度学量 是用能量单位描述光辐射能的客观物理量另一类是生理的 叫做光度学量 是描述光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度 即光度学是具有标准人眼视觉特性的人所接收的辐射量的度量 辐射能 辐射能是一种一电磁波的形式发射 传播或接收的能量 辐射通量 辐射通量又称辐射功率 是辐射能的时间变化率 是单位时间内发射 传播或接收的辐射能辐射强度 点辐射源在给定方向上单位立体角内的辐射能量 光性能 光度学研究对可见光的能量的计算 它使用的参量称为光度量参量称为光度量 辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算 两套参量的名称 符号 定义式彼此对应 基本都相同 只是单位不同 光度学是辐射度学的一部分或特例 光性能 光度学中最基本的单位是发光强度单位 坎德拉 Candela 记作cd其定义 发出频率为540 1012Hz 对应在空气中555nm波长 的单色辐射 在给定方向上的辐射强度为1 683Wsr 1时 在该方向上的发光光强为1cd 光性能 光强度 LuminousIntensity 测量单位 坎德拉candela 或者烛光 通常 一个光源在各个方向上有着不同的照射强度 在特定方向角上发出的可见光的强度称之为光强度 光通量 LuminousFlux 光通量 发光强度为1cd的均匀点光源在单位立体角 1sr 内发出的光通量 单位流明 lm 总光通量用于测量一个非方向性的光源 在任意时刻 任意方向上输出可见光的总和 光照度 相当于lm的光通量均匀地照在1m2面积上所产生的光照度 单位勒克斯 lx 光谱 光谱能量分布图和峰值波长 某一个发光二极管所发之光并非单一波长 其波长大体按图2所示 纵轴为相对能量 光谱 峰值波长 p Peak emissionWavelength 光谱辐射功率最大值所对应的波长的值光谱半波宽 FullWidthHalfMaximumFWHM 峰值发射波长的辐射功率的值1 2所对应两波长的间隔所对应两波长的间隔 光谱 主波长 d DominatingWavelength 光源的色度坐标与等能的白点连接的延长线在马蹄形色度图上的交点 光谱 纯度Purity样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示了该样品颜色的纯度 在CIE 1931色度图上 在颜色主波长线上用参照光源色度点到样品色度点的距离与参照光源色度点到光谱色色度点的距离之比来表示纯度 色温 辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同 则黑体的这一温度称为该辐射源的色温 由于一种颜色可以由多种光谱分布产生 所以色温相同的光源 它们的相对光谱功率分布不一定相同 相对色温 对于一般光源 它的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同 这时的光源用相对色温表示 在均匀色度图中 如果光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近 则该黑体的温度成为该光源的相关色温 光源的颜色 光源的颜色包含两个方面的含义 色表和显色性 用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表 当用这种光源照射物体时 物体呈现的颜色 也就是物体的放射光在人眼中的颜色感觉 与该物体在完全辐射体照射下呈现的颜色的一致性 称光源的显色性 CIE规定了14种特殊物体作为检验光源显色性的 试验色 光源的显色性是由显色指数来表明 它表示物体在光下颜色比基准光 太阳光 照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性 光谱 半值角 1 2和视角 1 2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向 法向 的夹角 中垂线 法线 坐标为相对发光强度 即发光强度与最大发光强度的之比 显然 法线方向上的相对发光强度为1 离开法线方向的角度越大 相对发光强度越小 由此图可以得到半值角或视角值 老化 老化 LED的