LED光电基础知识

LED光电基础知识第1页，共33页。目錄甚麼是LEDLED的優點/缺點LED的光學特性LED測試的基本概念白光LED總結第2页，共33页。1.甚麼是LEDLightEmittingDiode(發光二極管)二極管(Diode)的一種有着和二極管相同的电学特性會發光(可見光或不可見光,如IR,UV)二極管發光二極管符號第3页，共33页。1.甚麼是LED基本结構:1.襯底2.n-GaN3.p-GaN4.MQWs5.金屬接觸/电極6.基座(optional)第4页，共33页。1.甚麼是LED二極管半導体器件以電壓控制電流的器件正向偏壓(forwardbias)當电壓大於開啟电壓(Vf)後电流可通過反向偏壓(reversebias)漏電(leakagecurrent)當电壓大於擊穿電壓(breakdownvoltage)後电流可通過第5页，共33页。1.甚麼是LEDI-V特性第6页，共33页。1.甚麼是LEDLED為甚麼會發光?當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量多層量子阱--增加複合機會LED內部工作原理第7页，共33页。1.甚麼是LEDLED為甚麼會發光?並不是所有半導體都會發光Directband-gap(可發光,e.g.GaN,GaAs)Indirectband-gap(不可發光,e.g.Si)第8页，共33页。2.LED的優點/缺點優點發光(能量轉換)效率高-也即較省電。比燈泡高，但與螢光燈相約。反應(開關)時間快-可以達到很高的閃爍頻率。使用壽命長-達35,000~50,000小時，相對螢光燈為10,000~15,000小時，白熾燈為1,000~2,000小時。耐震蕩等機械衝擊-由於是固態元件，相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震蕩。體積小-其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。便於聚焦-因發光體積細小，易於而以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外形，方向性從大角度的散射以至集中於細角度都可以達到。多種顏色-能在不加濾光器下提供多種不同顏色，而且單色性強。色域豐富-白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣第9页，共33页。2.LED的優點/缺點

缺點散熱問題，如果散熱不佳會大幅縮短壽命。除非購買高級產品、否則省電性還是低於螢光燈（冷陰極管，CCFL），有些LED的省電性也低於省電燈泡。初期成本較高。因光源屬於方向性，燈具設計需考量光學特性。第10页，共33页。3.LED的光學特性發展初期，採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線或紅光。1993年，當時在日本日亞化工（NichiaCorporation）工作的中村修二（ShujiNakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光LED，這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。隨著材料科學的進步，各種顏色的發光二極體，現今皆可製造。第11页，共33页。3.LED的光學特性材料決定了波長,而波長決定了發光顏色InGaN/GaN(銦氮化鎵/氮化鎵)是現時APT製造LED的主要外延材料APT白光LED:籃光LED+黃磷Reference:/w/index.php?title=LED&variant=zh-tw#.E5.8E.9F.E7.90.86第12页，共33页。3.LED的光學特性EnergyGap(禁带宽度),波長與latticeconstant(晶格常数)的關係Greengap–AlInGaP,InGaN绿光发光效率都低Greengap第13页，共33页。3.LED的光學特性第14页，共33页。4.LED測試的基本概念正向偏壓(Vf1,Vf2,If)反向偏壓,ESD(Vr,Ir)峰值波長(WLP)FWHM主波長(WLD)亮度(LOP,lm,mcd,mW…)光分佈第15页，共33页。4.LED測試的基本概念正向偏壓(If1,Vf1,Vf2,J)If1--正向電流/工作電流,一般根據芯片大小決定,如1mmx1mm芯片為350mA.Vf1--正向電壓,一般為對應If1的工作電壓.Vf2--正向電壓,業界定Vf2用作監控產品的漏電情况,一般以10uA作測試,大於2-2.2V為合格.J--電流密度,在比較不同尺寸芯片性能時,一般會用J取代I.Pin--輸入工率,即IfxVf,單位W,亦有以此作產品定義,如1mmx1mm定義為1W芯片.第16页，共33页。4.LED測試的基本概念影響Vf的因素:電阻值(R)大LED電阻值p-GaN,n-GaN(internal)p,n-Ohmiccontact(contact)Metallayerlayout,wire,package…etc(external)VIidealnormalHighVfV=IRMQWRint-pRint-nRcont-pRcont-nRext-nRext-p第17页，共33页。4.LED測試的基本概念反向偏壓,ESD(Ir,Vr,Vbr,VESD)Ir--反向電流,在理想的情况下,此數值為零;但實際會有極小的電流,一般稱為漏電.Vr--反向電壓,業界多定Vr=-5V作為Ir的測試條件Vbr--擊穿電壓,當Vr>Vbr,Ir會急速上升.VESD--抗静電電壓,一般以高脈衝電壓作測試.抗静電電壓的高低一般取決於材料的質量.亦可外加ESD保護器件.第18页，共33页。4.LED測試的基本概念IR成因:晶體缺陷(Defects)當電壓大於缺陷可承受的電壓(如VESD)可能導致缺陷擴大短路(Shortcircuit)光刻缺陷污染物ESD保護電路齊納(稽納)二極體VI第19页，共33页。4.LED測試的基本概念峰值波長–WLPFWHM--見右圖,一般要求不多於20nm.第20页，共33页。4.LED測試的基本概念主波長–WLD,在測試LED顏色時,可得到CIE1931座標,由whitepoint起至所得的座標作一直線並申延至尺上波長.業界使用WLD較WLP為多.CIE1931第21页，共33页。4.LED測試的基本概念亮度(LOPorIv)Solidangle(立體角):Unitsrradiantflux:UnitWatt(W)luminousflux:Unitlumen(lm)Radiantintensity(Ie):UnitW/srLuminousintensity(Iv):Unitlm/srorcandela(cd)Radiant輻射(電學)Luminous發光(光學)第22页，共33页。4.LED測試的基本概念電學

光學是靠PhotopicLuminosityfunction轉換人對555nm(綠色)最敏感@555nm,1W=683lmPhotopicluminosityfunctions@475nm,1W=683x0.1=68.3lm第23页，共33页。4.LED測試的基本概念APT亮度提高方法外延方面Currentblockinglayer--阻擋電子流過,增加電洞和電子相遇的機會μPSS--μ尺寸,減少光子在器件內全反射從而增加出光效率,對減少外延位错有幫助nPSS--n尺寸,進一步增加出光效率及減少外延位错P-金屬層反光率先決條件:平滑的p-GaN表面由A系50%改良至B系80%,年初上升至95%Currentblockinglayer第24页，共33页。4.LED測試的基本概念第25页，共33页。4.LED測試的基本概念光分佈第26页，共33页。5.白光LED紅綠藍系統(RGBsystem)有了藍光LED之後，結合原有的紅光LED和綠光LED便可產生白光，這樣產生的白光LED有很廣的色域，但由於成本相當高，大部份白光LED很少採用這方法，現在只有只有在高檔次、有高要求的產品中使用。第27页，共33页。5.白光LED磷光劑白光LED現在大部份的白光LED都採用單一發光單元發出較短波長的光(如藍光或紫外光)，再用磷光劑把部份或全部光轉化成一或多種其他顏色的光(波長較長的光)，當所有光混合起來後，看起來便像白光。第28页，共33页。5.白光LED色温Colortemperature以絕對溫度K來表示，即將一標准黑體加熱，溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時，我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫名稱說明暖色光暖色光的色溫在3300K以下，暖色光與白熾燈相近，紅光成分較多，能給人以溫暖，健康，舒適的感受。適用與家庭，住宅，宿舍，賓館等場所或溫度比較低的地方。冷白色光又叫中性色，它的色溫在3300K到5300K之間，中性色由於光線柔和，使人有愉快，舒適，安詳的感受。適用與商店，醫院，辦公室，飯店，餐廳，候車室等場所。冷色光又叫日光色，它的色溫在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感覺，使人精力集中。適用與辦公室，會議室，教室，繪圖室，設計室，圖書館的閱覽室，展覽櫥窗等場所。第29页，共33页。5.白光LED第30页，共33页。5.白光LED顯色性(CRI)光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基准光（太陽光）照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性顯色性高的光源對顏色表現較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色表現較差，我們所見到的顏色偏差也較大。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100，各類光源的顯色指數各不相同，如：高壓鈉燈顯色指數Ra=23，熒光燈管顯色指數Ra=60~90。