第6章发光二极管的基本工作原理与特性 光电技术教学课件

教学内容 6 1发光二极管的基本工作原理与特性 第6章发光器件与光电耦合器件 教学基本要求 一掌握发光二极管的工作原理与特性 二掌握发光二极管的几种主要驱动电路 发光 物体向外发射出可见光的现象 由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射物体在特定环境下受外界能量激发辐射 激发辐射的光源常被称为冷光源 光源 热辐射光源 气体放电光源 固体发光光源 激光器 太阳 白炽灯 卤钨灯 黑体辐射器 汞灯 荧光灯 钠灯 氙灯 金属卤化物灯 空心阴极灯 场致发光灯 发光二极管 气体激光器 固体激光器 染料激光器 半导体激光器 温度辐射 发光 光致发光阴极射线发光放射线发光电致发光注入式电发光 全彩色LED电子显示屏 三星LED光源DLP背投电视 LED的优点发光 能量转换 效率高 白炽灯 卤钨灯光效为12 24流明 瓦 荧光灯50 70流明 瓦 钠灯90 140流明 瓦 LED 50 200流明 瓦 而且发光的单色性好 光谱窄 无需过滤 可直接发出有色可见光 反应 开关 时间快 可以达到很高的闪烁频率 使用寿命长 达35 000 50 000小时 日光灯为10 000 15 000小时 白炽灯为1 000 2 000小时 耐震荡等机械冲击 由于是固态元件 相对日光灯 白炽灯等能承受更大震荡 体积小 其本身体积可以造得非常细小 小于2mm 便于聚焦 因发光体积细小 易于而以透镜等方式达致所需集散程度 藉改变其封装外形 方向性从大角度的散射以至集中于细角度都可以达到 多种颜色 能在不加滤光器下提供多种不同颜色 而且单色性强 色域丰富 LED覆盖色域较其他光源广 高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓 GaAlAs 等材料 超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓 GaAsInP 等材料 普通单色发光二极管使用磷化镓 GaP 或磷砷化镓 GaAsP 等材料 白光LED的开发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 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 1蓝色LEDInGaN YAGInGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光2蓝色LED黄绿LEDInGaN GaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起 构成白色LED3蓝色LED绿色LED红色LEDInGaNAlInGaP将发三原色的三种小片封装在一起 构成白色LED多个多种光色的LEDInGaN GaPAlInGaP将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起 构成白色LED 6 1发光二极管的基本工作原理与特性6 1 1发光二极管的发光机理发光二极管 LED 注入电致发光器件发光机理 PN结注入发光异质结注入发光 1 PN结注入发光 2 异质结注入发光为了提高载流子注入效率 采用异质结 空穴就不断向n区扩散 对n区电子 势垒仍然较高 不能注入p区 禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区 n区所发射的光子能量hv比EG2小得多 它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去 6 1 2基本结构圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧向管 表面安装用微型管等 1 面发光二极管 波长0 8 0 9 m双异质结GaAs AlGaAs面发光型LED的结构 它的有源发光区是圆形平面 直径约为50 m 厚度小于2 5 m 2 边发光二极管波长1 3 m的双异质结InGaAsP InP边发光型LED的结构 它的核心部分是一个N型AlGaAs有源层 两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层 限制层 导光层的折射率比有源层低 比周围其他材料的折射率高 有源层射出光的端面宽度通常为50 70 m 长度为100 150 m 6 1 3LED的特性参数1 发光光谱和发光效率发光光谱 LED发出光的相对强度 或能量 随波长 或频率 变化的分布曲线 它直接决定着发光二极管的发光颜色 并影响它的发光效率 描述光谱分布的两个主要参量 峰值波长 峰值波长由材料的禁带宽度决定 发光强度的半宽度 1 2峰值光强所对应两波长之间隔 峰值光子的能量还与温度有关 它随温度的增加而减少 在结温上升时 谱带波长以0 2 0 3nm 的比例向长波方向移动 发光效率 发光二极管发射的光通量与输入电能之比 单位lm W 发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定 复合率辐射复合 电子和空穴复合时释放一定的能量 如果能量以光子的形式放出 这种复合称为辐射复合 辐射复合率与1 r成正比 无辐射复合 将电子和空穴复合释放的能量转变为热能 无辐射复合率为1 rn内部量子效率 pn结附近由电能转化成光能的效率 用来分析和评价芯片优劣的特性 neo为每秒发射出的光子数ni为每秒注入到器件的电子数 r是辐射复合的载流子寿命 nr是无辐射复合的载流子寿命注 只有 nr r 才能获得有效的光子发射 外部量子效率 ex 将单位时间发射到外部的光子数nex除以单位时间内注入到器件的电子 空穴对数nin定义为外部量子效率 ex GaAs in可接近100 ex很小 GaP Zn O 红光 ex最高为15 GaP N 绿光 ex约为0 7 GaAs0 6P0 4红光 ex约为0 4 In0 32Ga0 68P Te Zn 红外光 ex约为0 1 提高外部量子效率的措施 用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂 n2 1 55 涂敷在发光二极管上 把晶体表面加工成半球形 用禁带较宽的晶体作为衬底 以减少晶体对光吸收 响应时间从使用角度来看 就是LED点亮与熄灭所延迟的时间 tr tf值很小 可忽略 点亮时间 上升时间tr 熄灭时间 下降时间tf GaAs GaAsP GaAlAs响应时间 10 9S GaP 10 7S 它们可用在10 100MHZ高频系统 响应时间主要取决于载流子寿命 器件的结电容及电路阻抗 2 时间响应特性与温度特性发光二极管的时间响应快 短于1 s 发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降 3 发光亮度与电流的关系发光亮度L是单位面积发光强度的量度 在辐射发光发生在P区的情况下 发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系 是载流子辐射复合寿命 r和非辐射复合寿命 nr的函数 亮度与环境温度有关 环境温度升高 复合效率下降 亮度减小 当环境温度不变 电流增大pn结结温升高 温升后 亮度呈饱和状态 4 最大工作电流若工作电流较小 LED发光效率随电流的增加而明显增加 但电流增大到一定值时 发光效率不再增加 相反 发光效率随电流的增大而降低 随着发光管电流密度的增加 pn结的温度升高 将导致热扩散 使发光效率降低 最大允许功耗Pmax当流过LED的电流为IF 管压降为UF则功率消耗为P UF IF若结温为Tj 外部环境温度为Ta 则当Tj Ta时 内部热量借助管座向外传热 散逸热量 功率 P KT Tj Ta 若发光二极管的最大容许功耗为Pmax 则发光管最大容许的工作电流 5 伏安特性与普通二极管的伏安特性大致相同 正向电流与电压的关系i ioexp U mkT m 复合因子 开启电压 GaAs为1V 红色GaAsP为1 2V GaP为1 8V GaN为2 5V 6 寿命寿命 亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间 LED的寿命一般都很长 在电流密度小于lA cm2时 一般可达106h 最长可达109h 测量方法 给LED通以一定恒流源 点燃103 104小时后 先后测得BO Bt 代入Bt BOe t 求出 再把Bt 1 2BO代入 可求出寿命t 老化 随着工作时间的加长 亮度下降的现象叫老化 电流密度的加大 老化变快 寿命变短 7 光强分布发光强度 法向光强 是表征发光器件发光强弱的重要性能 LED大量应用要求是圆柱 圆球封装 由于凸透镜的作用 故都具有很强指向性 位于法向方向光强最大 其与水平面交角为90 当偏离正法向不同 角度 光强也随之变化 发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向 发光强度的角分布I 是描述LED发光在空间各个方向上光强分布 它主要取决于封装的工艺 包括支架 模粒头 环氧树脂中添加散射剂与否 当前几种常用封装的散射角 2 1 2角 圆形LED 5 10 30 45 6 1 4驱动电路 LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化 并且 环境温度 LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能 LED的光输出直接与LED电流相关 所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小 否则 LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化 并且 若LED电流失控 LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命 并有可能失效 a 电压源与镇流电阻 b 电流源与镇流电阻 c 多路电流源 d 一路电流源驱动串联LED DC DC升压稳压IC IV0104 主要特性指标输入电压范围 1 0V 4 5V输出电压范围 2 2 5 5V在0 95V以下低压自锁 UVLO