LED完全手册

LED完全手册 一、LED的结构及发光原理 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线， 通常被用在电子器具来显示电路是否关闭或打开的指示灯, 光的强弱与电流有关。 透明的环氧半导体晶片LED环氧围封下伸出的那两条线或者"灯泡"显示出LED应怎样加连接到电路,LED导线的负极是以两种方法来显示,一种是由灯泡的平面,第二种是两条线当中短的那条线,负极导线应连接到电池负端,LED运行电压相对很低大约只有1到4伏电压,吸取的电流也大约只有10到40毫安.发光二极管最重要的一部分就是在灯泡中央的半导体晶片,晶片有两个由接口分离的区域,P区域是由正电荷控制,而n区域是由负电荷控制,这个接口充当了P和n电子流动的挡板,只有当半导体晶片的电压足够时,电流才开时流动和电子穿过接口进入到P区域, 什么使LED发出光和什么决定了发光二的颜色 当足够的电压到达晶片穿过发光二极管的导线,电子就非常容易的在P和N的区域穿过分隔处,在P区域正电荷比负电荷要多很多,在n区域中的电子比正电荷多,当电压和电流开始流动,在N区域的电子就有足够的能源移动穿过分隔处进入P区域,由于共有的库仑力的正负电荷之间的互相吸引P区域电子立即吸引到正电荷,当电子足够的移动到与P区域的正电荷的接近,这两种电荷就"重新结合" 每次电子和正电荷结合时,电位能转变为电磁能,每次正负电荷的重新结合时,电磁能的量子以半导体材料的频率特性的光电形式发出(通常是镓,砷和磷的化学元素结合)只有当光量子在非常狭的频率范围内才可以发射光不同的半导体材料使发光二极管发出不同的颜色和需要不同的能量去使它们变亮. 发光二极管发出的能量有多少 所需的电压引起电子流动穿过P-n分隔处和电能是同恒量的,不同颜色的发光二极管发出单色的显眼光,发光二极管发出光的能量(E)是和电子电荷(q)有关和所需的电压(V)使发光二极管发光E = qV 焦耳,这个公式简单的说明了电压和电能是同恒量的.恒量q是指一个单电子的电荷-1.6 x 10-19库仑(电量单位) 　 找出来自电压的能量 假如测量流过发光二极管导线的电压,你希望找出使发光二极管发出光所需的相应能量.比如说发红光的发光二极管和所测电压和导线是1.7伏,那么使二极管发光所需的能量是E = qV 或者 E = -1.6 x 10-19 (1.71) 焦耳 　找出波长或频率 光的频率和光的波长有关联,分光仪可以用来检查由发光二极管发出的光和估计由LED发出光的最高峰值.但我们更喜欢检测由LED所发出的光强度,.C是代表光的速度(3 x 108 米每秒)而是代表由分光仪读取的光波长(以纳米或10-9 米为单位).假如你从分光仪器中观察发红光的二极管,你会发现LED发出的最高的强度颜色范围和从分光仪读取的波长是相符合的= 660 nm or 660 x 10-9 m. 二、LED光源的特点 1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染：无有害金属汞 7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。 三、单色光LED的种类及其发展历史 最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。 四、单色光LED的应用 最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。 以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。 五、白光LED的开发 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。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（λp=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。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。 目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。 某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。 六、LED 寿命的理解 LED 的使用寿命，一般认为在理想状态下一般认为有10 万小时。但在实际在使用过程中其光强会随使用时间的推移逐渐衰减，光效率逐渐降低。把光强衰减到初始光强的70%以下时定为寿命终止，就目前来说还没有明确的国家标准用来衡量。而且LED的使用寿命与其芯片的本身的质量及其封装技术、工艺有直接关系，某些芯片在20mA 条件下连续点亮4000小时后其光亮度衰减已达50%。但是随着技术、工艺的提高，光衰时间越来越缓慢，即寿命也越长。 七、LED 的节能及可*性 LED 是电流控制元件，通过流过的电流，将电能转变为光能，因其不存在摩擦损耗和机械损耗，所以在节能方面比一般的光源的效率高，但是LED 光源并不能像一般的普通光源一样可以直接使用电网电压，它必须配置一个电压转换装置，提供满足其额定的电压、电流，才能正常工作，即LED专用电源。但是各种不同的LED电源其性能和转换效率各不相同，所以选择合适、高效的LED专用电源，才能真正体现LED 光源高效特性。因为低效率的LED 电源本身就需要消耗大量电能，在配合LED 的使用过程中根本就体现不出LED 的高效节能特性。而且LED 电源也必须是高可*性电源，才能保证LED光源系统长寿命。 八、LED 的基本特性及使用时的注意事项 1．常见的LED 电性能参数 （1）LED 正向电压 不同颜色的LED 在额定的正向电流条件下，有着各自不同的正向压降值，红、黄色：1.8~2.5V 之间，绿色和蓝色：2.7~4.0V 之间。对于同种颜色的LED，其正向压降和光强也不是完全一致的。如下表： 发光颜色 外观颜色 波长λD(nm) 正向电压VF 亮度Iv(mcd) IF=20mA Min. Max. 红色 水透明 645~660 1.8 2.5 50~300 黄绿色 水透明 570~575 1.8 2.5 50~300 黄色 水透明 585~590 1.8 2.5 500~5000 蓝色 水透明 455~475 2.7 4.0 500~7000 绿色 水透明 515~535 2.7 4.0 2000~10000 白色 水透明 - 2.7 4.0 3000~15000 在同一电路中应该尽量使用在额定电流条件下正向压降值相同、光强范围小的LED。只有这样才能保证LED 的发光效果一致。其具体的电性参数可依各封装厂每包装提供的产品分光参数标签值。（有些公司每批分选都不一致） （2）LED 的额定工作电流 LED 的额定电流各不相同，普通的LED 电流一般为20mA，大功率的LED 电流一般为40 mA 或350 mA 不等。具体要按各封装厂提供的电流参数值。一般LED在反向电压：VR=5V 的条件下，反向电流：IR≤10µA。 （3）LED 的功率 LED 功率的大小也各不相同，有70mW、 100mW、 1W、2W、3W、5W等，所以必须根据所选择的LED，设计合理的使用电路和配置合适的LED数量，使其完全满足LED电源的额定值，如果设计的电路使每个LED分担电压或电流过高就会严重影响LED的使用寿命甚至烧毁LED，如果分担的电压或电流过低则激发的LED 光强不够，就不能充分发挥LED 应有的效果，达不到我们所期望的目的。 2．温度特性 （1）LED 的焊接温度应在300℃以下，焊接时间控制在3~5S 之间。要注意避免LED温度过高从而使芯片受损，焊接的位置最好在引脚卡点以外的位置。 （2）LED 的亮度输出与温度成反比，温度不仅影响LED的亮度，也影响它的寿命。使用中尽量减少电路发热，并做一定的散热处理，在设计LED发光板时尽可能使铜箔有效面积加大。 3．静电特性 LED装配过程中必须加强防静电措施，因为操作过程和人体本身都会产生静电，对于双电极的LED最易被静电反向击穿，从而严重影响LED的使用寿命甚至使其完全报废。如防静电环境不是非常完善，可以给LED使用者增加防静电腕带，并使防静电腕带和操作台设置良好的防静电接地系统，离子风机等设备。双电极的LED在封状时并连齐纳二极管保护LED。