1、2.1 gan基led發(fā)光原理大部分led是利用mocvd在襯底材料上異質(zhì)外延而成，目前比較成熟的襯底材料是藍(lán)寶石和碳化硅，硅基和zno基等其他襯底材料尚未成熟。led外延片的結(jié)構(gòu)主要包括mis結(jié)、p-n結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)和量子阱幾種，當(dāng)前絕大多數(shù)led均是量子阱結(jié)構(gòu)的。外延片的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。目前使用的大部分燈具是白熾鎢絲燈或者采取氣體放電，而半導(dǎo)體發(fā)光二極管(led)的發(fā)光原理則迥然不同。發(fā)光二極管自發(fā)性(spontaneous)的發(fā)光是由于電子與空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的。 假設(shè)發(fā)光是在p區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光

2、復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在近pn結(jié)面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。 理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度g有關(guān)，即=1240/eg電子由導(dǎo)帶向價(jià)帶躍遷時(shí)以光的形式釋放能量，大小為禁帶寬度eg，單位為電子伏特（ev。由光的量子性可知，hf= eg h為普朗克常量,f為頻率，據(jù)f=c/,可得=hc/eg,當(dāng)?shù)膯挝挥胾m, eg單位用電子伏特（ev）時(shí)，上式為=1.24um·ev/eg ，

3、若若能產(chǎn)生可見光（波長(zhǎng)在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的eg應(yīng)在3.261.63ev之間發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙(direct bandgap)有關(guān)，圖 1.1(a)是直接帶隙材料。這些材料的導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶的最高點(diǎn)在同一k空間。所以電子與空穴可以有效地再?gòu)?fù)合(recombination)而發(fā)光。而圖 1.1(b)的材料均屬于間接帶隙(indirectbandgap)，其帶隙及導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)不在同一k空間，以致電子與空穴復(fù)合時(shí)除了發(fā)光外，還需要產(chǎn)生聲子(phonon)的配合，所以發(fā)光效率低7。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙的材料。2.2 大功率led基本參數(shù)及性能指標(biāo)1

4、極限參數(shù)的意義 （1）允許功耗pm:允許加于led兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，led發(fā)熱、損壞。 （2）最大正向直流電流ifm：允許加的最大的正向直流電流。超過(guò)此值可損壞二極管。 （3）最大反向電壓vrm：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。 （4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2電參數(shù)的意義 （1）光譜分布和峰值波長(zhǎng)：某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)大體按圖2所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)0的光強(qiáng)最大，該波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。 （2）發(fā)光強(qiáng)

5、度iv：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線（對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1/683）w/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般led的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉(mcd)作單位。（3）光譜半寬度:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔. （4）半值角1/2和視角：1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。 圖3給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。法線ao的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)

6、度為1，離開法線方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 （5）正向工作電流if：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇if在0.6·ifm以下。 （6） 正向工作電壓vf： 參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。 一般是在if=20ma時(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓vf在1.43v。在外界溫度升高時(shí)，vf將下降。 （7）v-i特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。 在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由v-i曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反

7、向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流ir<10a以下。led的電學(xué)指標(biāo) 1、  led的電流-電壓特性圖圖1所示為led工作的電流-電壓（i-v）特性圖。發(fā)光二極管具有與一般半導(dǎo)體三極管相似的輸入伏安特性曲線。我們分別對(duì)圖中所示的各段進(jìn)行說(shuō)明。圖1  led工作的電流-電壓特性圖oa段：正向死區(qū)va為開啟led發(fā)光的電壓。紅色（黃色）led的開啟電壓一般為0.20.25v,綠色（藍(lán)色）led的開啟電壓一般為0.30.35v。ab段：工作區(qū)在這一區(qū)段，一般是隨著電壓增加電流也跟著增加，發(fā)光亮度也跟著增大。但在這個(gè)區(qū)段內(nèi)要特別注意，如果不加任何保護(hù)，當(dāng)

8、正向電壓增加到一定值后，那么發(fā)光二極管的正向電壓會(huì)減小，而正向電流會(huì)加大。如果沒(méi)有保護(hù)電路，會(huì)因電流增大而燒壞發(fā)光二極管。oc段：反向死區(qū)發(fā)光二極管加反向電壓是不發(fā)光的（不工作），但有反向電流。這個(gè)反向電流通常很小，一般在幾a之內(nèi)。在19901995年，反向電流定為10a，19952000年為5a；目前一般是在3a以下，但基本上是0a。cd段：反向擊穿區(qū)發(fā)光二極管的反向電壓一般不要超過(guò)10v，最大不得超過(guò)15v。超過(guò)這個(gè)電壓，就會(huì)出現(xiàn)反向擊穿，導(dǎo)致led報(bào)廢。2、  led的電學(xué)指標(biāo)對(duì)于led器件，一般常用的電學(xué)指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：·正向電壓 vf：led正向電流在20ma時(shí)的

9、正向電壓。·正向電流 if：對(duì)于小功率led，目前全世界一致定為20ma，這是小功率led的正常工作電流。但目前出現(xiàn)了大功率led的芯片，所以if就要根據(jù)芯片的規(guī)格來(lái)確定正向工作電流。·反向漏電流ir：按led以前的常規(guī)規(guī)定，指反向電壓在5v時(shí)的反向漏電流。如上面所說(shuō)，隨著發(fā)光二極管性能的提高，反向漏電流會(huì)越來(lái)越小，但大功率led芯片尚未明確規(guī)定。·工作時(shí)的耗散功率pd：即正向電流乘以正向電壓。3、  led的極限參數(shù)        對(duì)于led器件，一般常用的極限參數(shù)有以下幾項(xiàng)：

10、83;最大允許耗散功率pmax=ifh×vfh：一般按環(huán)境溫度為25時(shí)的額定功率。當(dāng)環(huán)境溫度升高，則led的最大允許耗散功率將會(huì)下降。·最大允許工作電流ifm：由最大允許耗散功率來(lái)確定。參考一般的技術(shù)手冊(cè)中給出的工作電流范圍，最好在使用時(shí)不要用到最大工作電流。要根據(jù)散熱條件來(lái)確定，一般只用到最大電流ifm的60%為好。·最大允許正向脈沖電流ifp：一般是由占空比與脈沖重復(fù)頻率來(lái)確定。led工作于脈沖狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，例如led顯示屏就是利用這個(gè)手段來(lái)調(diào)節(jié)亮度的。·反向擊穿電壓vr：一般要求反向電流為指定值的情況下可測(cè)試反向電壓vr，反

11、向電流一般為5100a之間。反向擊穿電壓通常不能超過(guò)20v，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一定要確定加到led的反向電壓不要超過(guò)20v。4、  led的其他電學(xué)參數(shù)        在高頻電路中使用led時(shí)，還要考慮以下兩個(gè)因素：·結(jié)電容cj·響應(yīng)時(shí)間：上升時(shí)間tr，下降時(shí)間t f        當(dāng)led接在高頻電路中使用時(shí)，要考慮到結(jié)電容和上升、下降時(shí)間，否則led無(wú)法正常工作。led的光學(xué)指標(biāo)    

12、    人眼對(duì)自然界光的感知有兩個(gè)方面：一是光的顏色，二是光的輻射強(qiáng)度。我們將從這兩方面展開討論，進(jìn)而分析led的各種光學(xué)指標(biāo)。1、  光的顏色的三種表示法·國(guó)際照明委員會(huì)色品圖表示法·光的顏色鮮艷度·色溫或相關(guān)色溫下面將逐一對(duì)其進(jìn)行介紹。國(guó)際照明委員會(huì)色品圖表示法        國(guó)際照明委員會(huì)（cie）于1931年研究提出了xyz色品圖，1960年又在xyz色品圖的基礎(chǔ)上提出了ucs色品圖。     &#

13、160;  顏色感覺(jué)是光輻射源或被物體反射的光輻射作用于人眼的結(jié)果。因此，顏色不僅取決于光刺激，而且取決于人眼的視覺(jué)特性。        關(guān)于顏色的測(cè)理和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該符合人眼的觀測(cè)結(jié)果。但是，人眼的顏色特性對(duì)于不同的觀測(cè)者或多或少會(huì)有一些差異，因此要求根據(jù)大量觀測(cè)者的顏色視覺(jué)實(shí)驗(yàn)，確定 一組為匹配等能光譜色的三原色數(shù)據(jù)，即“標(biāo)準(zhǔn)色度觀測(cè)者光譜三刺激值”，以此來(lái)代表人眼的平均顏色視覺(jué)特性，用于色度學(xué)的測(cè)量和計(jì)算。        cie于1931年在rg

14、b系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用設(shè)想的三原色x、y、z（分別代表紅色、綠色和藍(lán)色），建立了cie1931色品圖，如圖1所示。該圖是歸一 化圖，只要標(biāo)示x、y值，就可以知道z的值（z=1-（x+y），因而三變量的色品圖就變成x、y二變量的平面圖。圖1  cie1931色品圖光的顏色鮮艷度        光的顏色鮮艷度必須用光的主波長(zhǎng)d和色純度來(lái)表示。目前，led芯片供應(yīng)商都是用主波長(zhǎng)d來(lái)表示鮮艷度，而不用峰值波長(zhǎng)p來(lái)表示。·主波長(zhǎng)d：如圖2所示為色品圖，圖中ab為黑體軌跡。設(shè)f點(diǎn)為某一光源在色品圖中的坐標(biāo)，e點(diǎn)為理想等能

15、量白光的參考光源點(diǎn)，在色品圖標(biāo)中為(0.3，0.3)。由e點(diǎn)連接f點(diǎn)并延伸交于g點(diǎn)，則g點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單色波長(zhǎng)即稱為f點(diǎn)光源的主波長(zhǎng)d。·峰值波長(zhǎng)p：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處的對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。它是一種純粹的物理量，一般應(yīng)用于波形比較對(duì)稱的單色光的檢測(cè)。·中心波長(zhǎng)：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率出現(xiàn)主峰和次峰時(shí)，主峰半寬度的中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。一般應(yīng)用于配光曲線法向方向附近凹進(jìn)去的、質(zhì)量不好的單色管的檢測(cè)。·色純度pe：如圖2所示，pe=ef/eg。如果某一光源在色品圖中f點(diǎn)的坐標(biāo)越靠近g點(diǎn)，那么ef和eg的 長(zhǎng)度就越接近相等，pe越接近1，色純度就越高。色純度通俗地說(shuō)是指出射光

16、的色坐標(biāo)靠近c(diǎn)ie1931色品圖上光譜軌跡的程度，靠得越近則純度越高。所 以，若色坐標(biāo)位于光譜軌道上，則色純度為100%；反之，等能的白光純度則為0%。色純度也是一種生理-心理物理量。·半寬度：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處的一半的寬度（fwhm），簡(jiǎn)稱“帶寬”。帶寬越小則顏色越純，顯然它也是純粹的物理量。圖2  主波長(zhǎng)示意圖色溫或相關(guān)色溫        白光在照明領(lǐng)域的使用，一般用色溫或相關(guān)色溫表示（有時(shí)也用色坐標(biāo)表示）。光源的顏色有兩方面的意思，即色表和顯色性。色表就是人眼直接觀察光源時(shí)所看到 的顏色感

17、覺(jué)；光源的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果，即光源使被照有色物體的顏色再次顯現(xiàn)出來(lái)的能力，稱為光源的顯色性。        光源發(fā)光的顏色可用色溫tc表示。當(dāng)光源所發(fā)射的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)，黑體的這個(gè)溫度就稱為光源的顏色溫度，簡(jiǎn)稱色溫。        光譜的能量分布和黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜能量分布相似時(shí)，其顏色必定相同。因此分布溫度一定是色溫，如白熾燈、鹵鎢燈發(fā)出光的顏色可用色溫表示； 但對(duì)于氣體放電光源，其光譜能量分布很少與

18、黑體的相似，所以這些光源的分布溫度僅能稱為相關(guān)色溫。如黑體鎢絲在2000°f（華氏度1°f= 0.555556k）以上時(shí)輻射出的顏色與蠟燭點(diǎn)亮?xí)r發(fā)射光的顏色相同，那么鎢絲2000°f以上的溫度就稱為蠟燭光的色溫。        某一光源的相關(guān)色溫的求法是：在cie1960ucs色品圖中，代表該光源顏色的坐標(biāo)點(diǎn)向黑體白軌做垂線，與白軌相交點(diǎn)的黑體的色溫即為該光源的相關(guān)色溫。        一般情況下，人們把高色溫稱為冷色調(diào)，把低

19、色溫叫做暖色調(diào)。2、  與光輻射強(qiáng)度有關(guān)的指標(biāo)相對(duì)視敏函數(shù)v（）曲線        對(duì)于有不同p的光線，即使光功率一樣，人眼感到的光強(qiáng)度仍是不一樣。人眼對(duì)于p=555nm的綠光的靈敏度最高，對(duì)該值兩邊波長(zhǎng)的靈敏度越來(lái)越低。當(dāng)p<380nm或p>780nm時(shí)，即使光源的光能量輻射再?gòu)?qiáng)，人眼也對(duì)它沒(méi)有任何光的感覺(jué)。例如在圖3的相對(duì)視敏函數(shù)曲線中，對(duì)于850nm、880nm、940nm處的線外線，人眼根本看不到。圖3  相對(duì)視敏函數(shù)曲線     &#

20、160;  國(guó)際照明委員會(huì)研究推薦了v（）曲線。當(dāng)p=555nm時(shí)，v（）為最大值1.0；而當(dāng)p=460nm時(shí)，v（）=0.06；當(dāng)p=660nm時(shí)，v（）=0.0608。光通量        光通量是按人眼的光感覺(jué)來(lái)度量光的輻射功率，即輻射光功率能夠被人眼視覺(jué)系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。表征的符號(hào)為，國(guó)際通用的光通量單位為流明（lm）。        假設(shè)單色光的波長(zhǎng)為i，則該波長(zhǎng)的光通量f（i）就等于它的輻射功率p（i）與相對(duì)視敏函數(shù)v（i

21、）的乘積，可參見式（1）：f（i）=p（i）×v（i）                    （1）        如果光源的輻射功率波譜為px()，則總的光通量f（）應(yīng)為各個(gè)波長(zhǎng)分量光通量的總和，即式（2）：          

22、     （2）        p（）為給定波長(zhǎng)的光輻射功率，單位是w。v（）為給定波長(zhǎng)的相對(duì)視敏函數(shù)。最大流明效率km為683lm/w（當(dāng)p=555nm時(shí)）。流明效率        人眼受能見度限制，因此對(duì)于不同的p，光有不同的最高流明效率：·p=555nm時(shí)：最大流明效率（km）為683lm/w；·p=470nm時(shí)：v（）=0.0913，最大流明效率為683×0.0913=62.40

23、lm/w；·p=460nm時(shí)：v（）=0.06，最大流明效率為683×0.06=41.00lm/w；·p=450nm時(shí)：v（）=0.038，最大流明效率為683×0.038=26.01lm/w；·p=660nm時(shí)：v（）=0.0608，最大流明效率為683×0.0608=41.5lm/w；·p=650nm時(shí)：v（）=0.107，最大流明效率為683×0.107=73.081lm/w；·p=620nm時(shí)：v（）=0.381，最大流明效率為683×0.381=260.223lm/w； &#

24、160;      不同光源組成的白光，其最大流明效率因人眼能見度不同的原因而不同。中色溫區(qū)的最大流明效率會(huì)比較高，而高色溫區(qū)和低色溫區(qū)的最大流明效率會(huì)比較低。所以對(duì)于不同的色溫，其流明效率會(huì)不一樣。        提高白光led的光效，應(yīng)考慮選用led輻射的光波長(zhǎng)和yag熒光粉的光譜，當(dāng)前yag熒光粉有p =530nm、540nm、550nm、560nm、570nm，并且?guī)捯膊灰粯印?#160;       藍(lán)光

25、led激發(fā)黃色yag熒光粉形成白光時(shí)，雖然輻射出的藍(lán)光能量有損失，但激發(fā)出黃光的最大流明比藍(lán)光要高好幾倍，所以人眼感覺(jué)的流明效率提高了。發(fā)光強(qiáng)度i        光源在指定方向上的立體角d之內(nèi)所發(fā)出的光通量或所得到光源傳輸?shù)墓馔縟，這二者的商即為發(fā)光強(qiáng)度i（單位為坎德拉，cd）：i=d/d                    

26、;   （3）1 cd=1 lm/sr（流明/立體弧度）=1 燭光        若光源向空間發(fā)射的總光通量為，因光源總立體角度為4，則平均光強(qiáng)i=/4。實(shí)際光強(qiáng)在空間各個(gè)方向的分布是不均勻的，空間光強(qiáng)分布的曲線稱為配光曲線。亮度l        光源發(fā)光面上某點(diǎn)的亮度l（單位為cd/m2），等于垂直于給定方向的平面上所得到的發(fā)光強(qiáng)度與該正投影面積之商，即l=di/dscos                   （4）單位為尼特（nt），1nt=1 燭光/m2=1 cd/m2 。