1、LED 完全手冊一、LED的結構及發(fā)光原理50 年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極 管產生于I960年。LED是英文light emitting diode （發(fā)光二極管）的縮寫，它的 基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料， 置于一個有引線的架子上， 然后四周用 環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以 LED 的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和n型半導體組成的晶片，在P型半 導體和 n 型半導體之間有一個過渡層，稱為 p-n 結。在某些半導體材料的 PN 結 中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出 來，從而把電能直接轉

2、換為光能。 PN 結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故 不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時， 半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線， 通常被用在電子器具來顯示 電路是否關閉或打開的指示燈 , 光的強弱與電流有關。透明的環(huán)氧半導體晶片 LED 環(huán)氧圍封下伸出的那兩條線或者 "燈泡"顯示出 LED 應怎樣加連接到電路 ,LED 導線的負極是以兩種方法來顯示 ,一種是由燈泡 的平面 ,第二種是兩條線當中短的那條線 ,負極導線應連接到電池負端 ,LED 運行 電壓

3、相對很低大約只有 1 到4伏電壓,吸取的電流也大約只有 10到40毫安.發(fā)光 二極管最重要的一部分就是在燈泡中央的半導體晶片 ,晶片有兩個由接口分離的 區(qū)域,P區(qū)域是由正電荷控制，而n區(qū)域是由負電荷控制，這個接口充當了 P和n電 子流動的擋板 ,只有當半導體晶片的電壓足夠時 ,電流才開時流動和電子穿過接口 進入到 P 區(qū)域,什么使 LED 發(fā)出光和什么決定了發(fā)光二的顏色當足夠的電壓到達晶片穿過發(fā)光二極管的導線，電子就非常容易的在P和N 的區(qū)域穿過分隔處，在P區(qū)域正電荷比負電荷要多很多，在n區(qū)域中的電子比正電 荷多，當電壓和電流開始流動，在N區(qū)域的電子就有足夠的能源移動穿過分隔處進 入P區(qū)域，由

4、于共有的庫侖力的正負電荷之間的互相吸引P區(qū)域電子立即吸引到正電荷，當電子足夠的移動到與P區(qū)域的正電荷的接近，這兩種電荷就"重新結合" 每次電子和正電荷結合時 ,電位能轉變?yōu)殡姶拍?,每次正負電荷的重新結合時 ,電 磁能的量子以半導體材料的頻率特性的光電形式發(fā)出 （通常是鎵 ,砷和磷的化學元 素結合）只有當光量子在非常狹的頻率范圍內才可以發(fā)射光不同的半導體材料使 發(fā)光二極管發(fā)出不同的顏色和需要不同的能量去使它們變亮 .發(fā)光二極管發(fā)出的能量有多少所需的電壓引起電子流動穿過 P-n 分隔處和電能是同恒量的 ,不同顏色的發(fā) 光二極管發(fā)出單色的顯眼光，發(fā)光二極管發(fā)出光的能量（E）是和

5、電子電荷（q）有關 和所需的電壓（V）使發(fā)光二極管發(fā)光E = qV焦耳,這個公式簡單的說明了電壓和 電能是同恒量的.恒量q是指一個單電子的電荷-1.6 x 10-19庫侖（電量單位）找出來自電壓的能量假如測量流過發(fā)光二極管導線的電壓,你希望找出使發(fā)光二極管發(fā)出光所需的相應能量.比如說發(fā)紅光的發(fā)光二極管和所測電壓和導線是1.7伏,那么使二極管發(fā)光所需的能量是 E = qV 或者 E = -1.6 x 10-19 （1.71） 焦耳找出波長或頻率光的頻率和光的波長有關聯(lián) ,分光儀可以用來檢查由發(fā)光二極管發(fā)出的光和估 計由 LED 發(fā)出光的最高峰值 .但我們更喜歡檢測由 LED 所發(fā)出的光強度 ,.

6、C 是代 表光的速度（3 x 108 米每秒）而是代表由分光儀讀取的光波長 （以納米或 10-9 米 為單位）.假如你從分光儀器中觀察發(fā)紅光的二極管 ,你會發(fā)現(xiàn) LED 發(fā)出的最高的 強度顏色范圍和從分光儀讀取的波長是相符合的 = 660 nm or 660 x 10-9 m.二、LED 光源的特點1. 電壓： LED 使用低壓電源，供電電壓在 6-24V 之間，根據(jù)產品不同而異，所 以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少 80%3. 適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種 形狀的器件，并且適合于易變

7、的環(huán)境4. 穩(wěn)定性： 10 萬小時，光衰為初始的 50%5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級， LED 燈的響應時間為納秒級6. 對環(huán)境污染：無有害金屬汞7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色8. 價格： LED 的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只 LED 的價格就可以與一只 白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上 300500只二極管構成。三、單色光 LED 的種類及其發(fā)展歷史最早應用半導體P-N結發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世

8、紀60年代初。 當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（入p=650nm），在驅動電流為20毫安時，光 通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約 0.1 流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N,使LED產生綠光（入p=555nm）,黃光（入 p=590nm）和橙光（入p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了 80 年代初，出現(xiàn)了 GaAlAs 的 LED 光源，使得紅色 LED 的光效達到 10 流明 /瓦。90 年代初，發(fā)紅光、黃光的 GaAlInP 和發(fā)綠、藍光的 GaInN 兩種新材料的 開發(fā)成功，使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2000年，前者做成的 LED 在 紅、橙區(qū)（

9、入p=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū) 域（入p=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。四、單色光 LED 的應用最初 LED 用作儀器儀表的指示光源， 后來各種光色的 LED 在交通信號燈和 大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以 12 英寸的紅色交通信號燈為例， 在美國本來是采用長壽命， 低光效的 140 瓦白熾燈作為光源，它產生 2000 流明的白光。經紅色濾光片后，光損失 90%， 只剩下 200流明的紅光。而在新設計的燈中， Lumileds 公司采用了 18個紅色 LED 光源，包括電路損失在內，共耗電 14 瓦，即可產生

10、同樣的光效。汽車信號燈也是 LED 光源應用的重要領域。 1987 年，我國開始在汽車上安 裝高位剎車燈，由于 LED 響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知 道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外， LED 燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得 到了應用。五、白光 LED 的開發(fā)對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。 1998 年發(fā)白光的 LED 開發(fā)成 功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片 發(fā)藍光（入p=465nm, Wd=30nm）,高溫燒結制成的含 Ce3+的YAG熒光粉受此 藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550n

11、m。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中， 覆蓋以混有 YAG 的樹脂薄層,約 200-500nm。 LED 基片發(fā)出的藍光部分被熒 光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對 于 InGaN/YAG 白色 LED ，通過改變 YAG 熒光粉的化學組成和調節(jié)熒光粉層的 厚度，可以獲得色溫 3500-10000K 的各色白光。目前已商品化的第一種產品為藍光單晶片加上 YAG 黃色熒光粉，其最好的發(fā) 光效率約為 25 流明/瓦， YAG 多為日本日亞公司的進口，價格在 2000元/公斤； 第二種是日本住友電工亦開發(fā)出以 ZnSe為材料的白光LED，不過發(fā)光效率較差。某些種類

12、的白色 LED 光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉 和石榴石結構的黃色粉， 在未來較被看好的是三波長光， 即以無機紫外光晶片加 R.G.B 三顏色熒光粉，用于封裝 LED 白光，預計三波長白光 LED 今年有商品化 的機機會。 但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小， 穩(wěn)定性要求也高， 具體應用 方面還在探索之中。六、LED 壽命的理解LED 的使用壽命，一般認為在理想狀態(tài)下一般認為有 10 萬小時。但在實 際在使用過程中其光強會隨使用時間的推移逐漸衰減， 光效率逐漸降低。 把光強 衰減到初始光強的 70%以下時定為壽命終止， 就目前來說還沒有明確的國家標準 用來衡量。而且 LED 的

13、使用壽命與其芯片的本身的質量及其封裝技術、工藝有 直接關系，某些芯片在 20mA 條件下連續(xù)點亮 4000 小時后其光亮度衰減已達50%。但是隨著技術、工藝的提高，光衰時間越來越緩慢，即壽命也越長。七、 LED 的節(jié)能及可 *性LED 光源LED 是電流控制元件，通過流過的電流，將電能轉變?yōu)楣饽?，因其不存?摩擦損耗和機械損耗，所以在節(jié)能方面比一般的光源的效率高，但是 并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓， 它必須配置一個電壓轉換 裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常工作，即 LED 專用電源。但是 各種不同的 LED 電源其性能和轉換效率各不相同，所以選擇合適、高效的 LED

14、 專用電源，才能真正體現(xiàn) LED 光源高效特性。因為低效率的 LED 電源本身就 需要消耗大量電能，在配合 LED 的使用過程中根本就體現(xiàn)不出 LED 的高效節(jié) 能特性。而且 LED 電源也必須是高可 * 性電源，才能保證 LED 光源系統(tǒng)長壽命。八、 LED 的基本特性及使用時的注意事項1常見的 LED 電性能參數(shù)（ 1） LED 正向電壓之間。對于同種顏色的 LED ，不同顏色的 LED 在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值， 紅、黃色： 1.82.5V 之間，綠色和藍色： 2.74.0V 其正向壓降和光強也不是完全一致的。如下表：正向電壓 VF亮度 Iv(mcd)發(fā)光顏色外觀

15、顏色波長入D（nm）IF=20mA紅色水透明6456601.82.550300黃綠色水透明5705751.82.550300黃色水透明5855901.82.55005000藍色水透明4554752.74.05007000綠色水透明5155352.74.0200010000白色水透明- 2.74.0300015000Max.Min.在同一電路中應該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、 光強范圍小 的 LED 。只有這樣才能保證 LED 的發(fā)光效果一致。 其具體的電性參數(shù)可依各封 裝廠每包裝提供的產品分光參數(shù)標簽值。 （有些公司每批分選都不一致） （ 2） LED 的額定工作電流LED的額定電

16、流各不相同，普通的LED電流一般為20mA，大功率的LED 電流一般為 40 mA 或 350 mA 不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數(shù)值。一 般LED在反向電壓：VR=5V的條件下，反向電流：IRW 10叭。 （3）LED 的功率LED 功率的大小也各不相同，有 70mW、 100mW、 1W、2W、3W、5W 等，所以必須根據(jù)所選擇的LED ,設計合理的使用電路和配置合適的 LED數(shù)量， 使其完全滿足 LED 電源的額定值，如果設計的電路使每個 LED 分擔電壓或電流 過高就會嚴重影響 LED 的使用壽命甚至燒毀 LED ，如果分擔的電壓或電流過低 則激發(fā)的 LED 光強不夠，就不能充分發(fā)揮 LED 應有的效果，達不到我們所期 望的目的。2溫度特性(1) LED的焊接溫度應在300C以下，焊接時間控制在35S之間。要注意避 免 LED 溫度過高從而使芯片受損，焊接的位置最好在引腳卡點以外的位置。( 2) LED 的亮度輸出與溫度成反比