LED基础知识

LED的发光原理 LED的光、色、电特性 LED的种类 LED的特点 白光LED的实现 LED的应用 LED的发展和应用前景

LED是什么?

LED是“light emitting diode”的英文缩写。 中文名:发光二极管。 LED是一种将电能转换为光能的固体电致发光(EL) 半导体器件。 LED实质性核心结构是由元素谱中的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物材料构成的p-n结。

LED是如何诞生的? 它有怎样的发展历程？

1907年，Henry Joseph Round在观测金刚砂(SiC) 电致发光的现象时，初次观察到了无机半导体的发光现象。但因为无机半导体发出的黄光太过暗淡，他很快就放弃了这方面的研究。 到20世纪20年代，德国科学家O.W.LOSSOW在研究SiC检波器时，再次观察到这种现象，但当时受到材料制备和器件工艺水平的限制，没有被迅速利用。 1962年，GE公司Nick Holonyak带领的一个团队成功演示出第一个红光GaAsP发光二极管，仅6年后，Monsanto(孟山都)研发的指示灯以及Hewlett-Packard（IBM）研发的电子显示屏就将商业化LED推向了市场。 1965年仅0.1LM/W ，指示灯 1968年，人们通过N掺杂工艺，使GaAsP LED的发光效率达到1lm/w,并出现了橙色光和黄色光。真正具有了商业价值。 到20世纪80年代，使用AlGaAs(砷镓化铝)的第一代超亮LED诞生。产品首先是红色、然后是黄色，最后是绿色。应用领域多 到20世纪90年代，日本东芝公司和美国的HP公司，先后研发成功双异质结与多量子阱结构的橙色和黄色InGaAlP(铟镓铝化磷)的组合又被用来生产超亮红色、桔色、黄色及绿色LED. 20世纪90年代中期，日本的日亚（NICHIA）公司和美国的CREE公司，分别在蓝宝石和SIC衬底上成功研发了超亮蓝光GaN(氮化镓)LED，高亮度绿光、紫光及蓝光InGaN(氮化铟镓)LED随后也研发成功。

医疗设备、全彩大屏幕显示屏、小尺寸LCD背光源、手机背光照明、景观装饰照明、闪光灯、应急灯、警示灯、标志灯 发展阶段 年份 发展进程 发光效率（lm/w） 应用领域 指 示 应 用 1962 GaAsP红光LED（样品） < 0.1 指示灯 1965 GaAsP红光LED 0.1 1968 GaAsP红、橙、 黄光LED 0.2 1970-1980 GaAsP高效红、黄光、 GaP绿、红光 1 指示灯、计算器、数字手表 信号 显示 1980-1985 AlGaAs橙黄、 绿、红光LED 5 室外信号显示、条形码系统、光电传导系统 1986-1992 InGaAlP红、绿、橙红、橙黄、橙、黄色LED 10 室外显示屏、交通信号灯、汽车 全彩应用 普通照明 1993-1994 InGaN绿、蓝光LED，GaN蓝光LED 15 医疗设备、全彩大屏幕显示屏、小尺寸LCD背光源、手机背光照明、景观装饰照明、闪光灯、应急灯、警示灯、标志灯 1997 白光LED（蓝光芯片+YAG荧光粉） 2000 InGaAlPGaAs、 InGaNSiC彩色LED >30 2005 >50 2007-2009 功率级白光LED >100

LED如何发光?

物体发光 有哪些方式？

物体的 发光方式 热光 冷光 白炽灯：当钨丝在真空或是惰性气体中加热至很高的温度，就会发出白光。 生物发光：萤火虫 化学发光：荧光粉 ：又叫热辐射，是指物质在高温下发出的光。 冷光 热光 物体的 发光方式 生物发光：萤火虫 化学发光：荧光粉 阴极射线发光：荧光灯、 金卤灯 场致发光：无极灯 电致发光：LED ：某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。

电致发光原理：电场的作用激发电子由低能态跃迁到高能态，当这些电子从高能态回到低能态的时候，根据能量守恒原理，多余的能量将以光的形式释放出来。

目前发光二极管用的都是直接带隙材料 Si GaAs

直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（Radiative Transition）有以下可能性： （３）在能带势能波动区，局部束缚激子的复合 Ｅｃ Ｅｖ 导带 价带 （１）带间复合 Ｅｇ 导带 价带 （２）自由激子相互抵消 图（１）和（２）是一般ＡｌＧａＩｎＰ红光ＬＥＤ产生光的原理，而图（３）是ＡｌＧａＩｎＮ蓝光ＬＥＤ产生光的原理．

LED自发性的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。 当LED两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光。

光子 E

LED为什么会发 不同颜色的光?

光的本质是什么?

光是一种能量的形态，是一种电磁波。 在同一介质中，能量从能源出发沿直线向四面八方传播,这种能量传递的方式通常叫做辐射。 通常可以用波长来表达人眼所能感受到的可见光的辐射能量。

人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁波谱家族中的很小空间。

各种颜色光的波长 光色 波长λ（nm) 代表波长 红（Red） 780～630 700 橙（Orange） 630～600 620 黄（Yellow） 600～570 580 绿（Green） 570～500 550 青（Cyan） 500～470 500 蓝（Blue） 470～420 470 紫（Violet） 420～380 420

光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即  λ≈1240/Eg（mm） 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg。 Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会蓝移。反之， Eg越小，所发出的光子波长就越长，颜色就会红移。 若要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应该在1.59～3.26 eV之间。 在此能量范围之内，带隙为直接带的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料只有GaN、 GaP等少数材料，也可以利用Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族二元化合物组成新的三元或四元Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。

材料不一样，电子和空穴复合的能量不一样，发出的光也不一样。 红、黄光芯片的主要材料：AlGaInP、 GaAlAs 光的颜色与芯片的材料有关系。 材料不一样，电子和空穴复合的能量不一样，发出的光也不一样。 红、黄光芯片的主要材料：AlGaInP、 GaAlAs 蓝、绿光芯片的主要材料：GaN、 InGaN 窗口层 P-限制层 N-限制层 活性层 布拉格反射层 衬底

LED的主要 参数与特性

 LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的特性： （1）电学特性 （2）光学特性 （3）热学特性

电 学 特 性 I-V特性 响应时间 允许功耗

LED的伏-安（I-V）特性 （1） LED的伏-安（I-V）特性是流过芯片PN结电流随施加到PN结两端上电压变化的特性，它是衡量PN结性能的主要参数，是PN结制作优劣的重要标志。 （2）LED具有单向导电性和非线性特性。

IF 反向死区 VB 死区电压 正 向 工 作 区 击穿区 正向电流

对LED较为重要的电学参数 开启电压UON 正向电流IF 正向电压VF 反向电压VR

正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。 B C E 正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。小功率彩色LED一般是在IF=20mA时测得的，正向工作电压VF在1.5～2.8V。功率级LED一般在IF=350mA时测得的，正向工作电压VF在2～4V。在外界温度升高时，VF将下降。 开启电压：电压在开启点以前几乎没有电流，电压一超过开启点，很快就显出欧姆导通特性，电流随电压增加迅速增大，开始发光。开启点电压因半导体材料的不同而异。GaAs是1.0V，GaAs1-xPx，Ga1-xAlxAs大致是1.5V（实际值因x值的不同而有些差异），GaP（红色）是1.8V，GaP（绿色）是2.0V，GaN 为2.5V 。 正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。 反向漏电：当加反向电压时，外加电场与内建势垒电场方向相同，便阻止了多数载流子的扩散运动，所以只有很小的反向电流流过管子。但是，当反向电压加大到一定程度时，结在内外电场的作用下，把晶格中的电子强拉出来，参与导电，因而此时反向电流突然增大，出现反向击穿现象。正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0，GaN 为10uA。反向电流越小，说明LED的单向导电性能越好。 最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。反向击穿电压也因材料而异，一般在-2V以上即可。

3.0v 350mA AlGaInP LED -100mA -20v VB

3.4v 350mA InGaN LED -100mA -7v

LED C-V 特性 LED的电容一般包括PN结结电容和内引线分布电容等在内的总电容,PN结电容占主要地位。 鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，及封装结构的不同，电容量也不同，有的远小于1PF，有的则达100PF以上。 C-V 特性呈二次函数关系。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。

响应时间 LED响应时间是指：通一正向电流时开始发光和熄灭所延迟时间，标志LED反应速度。 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。 LED 的点亮时间——上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。 LED 熄灭时间——下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。 不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间小于10-9S。因此它们可用在10~100MHZ 的高频系统中。               

允许功耗P 当流过LED的电流为IF、管压降为UF ，那么，LED的实际功率消耗P为： P=UF×IF 　若结温大于外部环境温度时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量。 　为保证LED安全工作，应该保证实际功率在最大允许功耗范围内。

光 学 特 性 空间分布 光谱分布 光学参数

LED发光强度的空间分布 发光强度的空间分布又叫配光曲线。 空间分布不均匀 LED辐射的空间特性取决于封装半导体芯片结构及封装形式。

发光面和角分布

光谱特性 LED光辐射光谱分布有其独特的一面。它不是单色光（如激光），也不是宽光谱辐射（如白炽灯），而是介于两者之间：有几十纳米的带宽、峰值波长位于可见光或近红外区域。 LED的波长分布有的不对称，有的则有很好的对称性，具体取决于LED所使用的材料种类及其结构等因素。 改变发光层的电致发光层结构及合金组分的比例，都会引起谱线的峰值波长和半宽度的变化。 LED光谱特性表征其单色性的优劣和其主要颜色是否纯正。

YAG荧光粉

LED的光学参数 光谱半宽度 峰值波长 中心波长

光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度。是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。中心波长入是指A、B的中点处对应的波长。 光谱分布和峰值波长：有的发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图所示。该发光管所发之光中某一波长λP的光谱能量（光强）最大，该波长为峰值波长。只有单色光有峰值波长，不同颜色的LED峰值波长是不同的，红光LED的峰值波长一般为690nm左右。蓝光LED的峰值波长一般为470nm左右。

热学特性

当电流流过LED时，其PN结的温度（简称结温）将升高，严格意义上说，就把P—N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

热的损害 当LED的结温升高时，，材料的禁带宽度将减少，导致LED的发光波长变长，颜色红移。一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。 在室温下，结温每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右。

结温上升的原因 a、元件不良的电极结构 b、P—N结的注入效率不 完美 c、出光效率的限制 d、LED元件的热散失能力。

降低LED结温的途径 a、减少LED本身的热阻 b、控制额定输入功率 c、减少LED与二次散热机 构安装介面之间的热阻 d、良好的二次散热机构 e、降低环境温度

LED与普通 光源有什么区别?

高效率：发光效率高，一个两瓦的LED灯相当于一个15瓦的普通白炽灯灯泡的 照明效果 寿命长：LED灯最长可达100000小时；LED半衰减期可达50000小时以上 低耗电：比同光效的白炽灯最多可节省百分之七十 低故障：LED是半导体元件，与白炽灯和电子节能灯相比，没有真空器件和高压触发电路等敏感部件，故障极低，可以免维修 绿色、环保：单色性好，LED光谱集中，没有多余红外、紫外等光谱，热量、辐射很少，对被照物产生影响少。而且不含汞有害物质，废弃物可回收，没有污染 方向性强：平面发光，方向性强。它与点光源白炽灯不同，视角度≤180°，设计时一定要注意和利用LED光源有不同的视角度和不能大于180°的特点 快响应：响应时间短，只有60ns，启动十分迅速；白炽灯是毫秒数量级 低电压：驱动电压低，工作电压为直流，安全 小体积：体积小、重量轻。利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具；背光源产品 多色彩：LED色彩鲜艳丰富。不同的半导体材料，不同颜色的光。颜色饱和度达到130%全彩色不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果 控制方便:只要调整电流，就可以随意调光，使灯光更加清晰柔和让人感觉更加舒服

LED都有哪些种类?

按发光二极管的结构分 ： 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。 按发光管发光颜色分 ：红色、黄色、橙色、绿色、蓝光等，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成还可分有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。 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φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm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。（2）标准型。其半值角为20°～45°。（3）散射型。半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。 按发光二极管的结构分 ： 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。 按发光强度和工作电流分 ：普通亮度的LED（发光强度＜10mcd）；超高亮度的LED（发光强度＞100mcd）；把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 按工作功率分：小功率（＜0.06W）、功率型（0.06W~1W）、大功率（＞1W）。

白光LED是如何 实现的?

用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点

如何衡量 白光LED的优劣？

应用的白光LED技术指标 光通量：一个Φ5 LED的光通量仅为1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。由于15W白炽灯效率较低，仅8lm/w，所以一个15W白炽灯的光通量，与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。 发光效率：目前产业化产品已从 15lm/w提高到100lm/w以上。 色温 ：在 2500K-10000K之间，最好是2500K-5000K之间。 显色指数 Ra 最好是100。目前可以达到85。 稳定性：波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。 寿命 ：5万小时至10万小时。

LED有哪些应用?

射灯 路灯 交通信号灯

汽车尾灯 汽车雾灯

目前是什么阻碍了 LED的大规模应用?

应用设计 散热 芯片成本 二次光学设计、驱动电源设计 作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。 芯片成本 价格是直接影响LED照明普及速度的关键因素。人们期望以LED灯的购置成本+能源成本+维护成本+废弃物处理成本比白炽灯和荧光灯低，但消费者仍以购置成本为选择标准，

LED将来如何发展？

一是做小→尺寸小 二是做大→功率大 三是做快→散热快 四是做低→成本低 五是独立→集成

LED应用前景方向 显示、景观 室外照明：道路、停车场 室内照明 背光源 特殊照明：矿井、医院、博物馆、冰柜、仓库、情景照明 汽车照明 商用照明

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导带 价带 Ｅｇ Ｅｃ Ｅｖ