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LED灯的特点及其发光原理
  　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，光的强弱与电流有关。  
　　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。 （编辑 李艳欣）

LED灯具特性

LED（Light-Emitting-Diode）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，其特点如下：
（1） 效率高
    按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高（一般10～30lm/W，目前已知光效最高的橙红色LED光效可以达到55lm/W），但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到80-90%，而光效差不多的白炽灯其可见光效率仅为10-20%。
（2） 光线质量高
    由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，LED属于典型的绿色照明光源。
（3） 光色纯
    与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。
（4） 能耗小
    单体LED的功率一般在0.05～1W，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。尤其是需要彩色光的时候，采用白光经过滤色的方式大费周折并且浪费能源，而LED固有的彩色却是得天独厚。
（5） 寿命长
    光通量衰减到70%的标称寿命10万小时，实际上几乎无限。
（6） 可靠耐用
    没有钨丝、玻壳等等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。
（7） 应用灵活
    体积小，可平面封装易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。
（8） 安全
    单体工作电压大致在1.5~5V之间，工作电流在20~70mA之间。
（9） 响应时间短
    适合于频繁开关以及高频运作的场合。
（10） 绿色环保
    废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞成分。
（11） 控制灵活
    通过调整电流可以调光，不同光色的组合可以调色，加上时序控制电路可以达到多样的动态变化效果。

第一讲LED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结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。
1、LED电学特性
1.1 I-V特性
表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

如上图：
（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系
IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS
为反向饱和电流。V＞0 时，V＞VF 的正向工作区IF 随VF 指数上升，
                         IF = IS e qVF/KT
（3）反向死区 ：V＜0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。

（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。
1.2 C-V特性
鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。

1.3 最大允许功耗PFm
当流过LED的电流为IF、管压降为UF 则功率消耗为P=UF×IF. LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj – Ta）。
1.4 响应时间

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED 都达到10-6~10-7S（us 级）。
1.响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图3中tr 、tf 。图中t0 值很小，可忽略。
② 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＜10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在10~100MHZ 高频系统。
2 LED光学特性
发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。
2.1 发光法向光强及其角分布Iθ
2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。
2.1.2 发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）
⑴ 为获得高指向性的角分布（如图4）

① LED 管芯位置离模粒头远些；
② 使用圆锥状（子弹头）的模粒头；
③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂。
采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。
⑵ 当前几种常用封装的散射角(2θ1/2 角)圆形LED：5°、10°、30°、45°。
2.2 发光峰值波长及其光谱分布
⑴ LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。
LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。
下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED 光谱响应曲线。其中

① 是蓝色InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰λp = 460～465nm；
② 是绿色GaP:N 的LED，发光谱峰λp = 550nm；
③ 是红色GaP:Zn-O 的LED，发光谱峰λp = 680～700nm；
④ 是红外LED 使用GaAs 材料，发光谱峰λp = 910nm；
⑤ 是Si 光电二极管，通常作光电接收用。
由图可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。
⑵ 谱线宽度：在LED 谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ 之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED 单色性的参数，LED 半宽小于40 nm。
⑶ 主波长：有的LED 发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED 色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED 发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。如GaP 材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED 长期工作，结温升高而主波长偏向长波。
2.3 光通量
光通量F是表征LED 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED 向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。可见光LED 的光通量单位为流明（lm）。
LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED 的光通量最大约1 lm，白光LED 的F≈1.5~1.8 lm（小芯片），对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。
2.4 发光效率和视觉灵敏度
① LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。
② 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ = 555nm 处有一个最大值680 lm/w，若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P 与可见光通量F 之间关系为P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ
③ 发光效率——量子效率η=发射的光子数/pn 结载流子数=（e/hcI）∫λPλdλ。若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W 若光子能量hc=ev，则η≈ηP，则总光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P。
④ 流明效率：LED 的光通量F/外加耗电功率W=KηP
它是评价具有外封装LED 特性，LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。
以下列出几种常见LED 流明效率（可见光发光效率）：

品质优良的LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为η=ηiηcηe，式中ηi 向为p、n 结区少子注入效率，ηc 为在势垒区少子与多子复合效率，ηe 为外部出光（光取出效率）效率。
由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施：
① 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55 并不理想）覆盖在芯片表面；
② 把芯片晶体表面加工成半球形；
③ 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4~6倍。
2.5 发光亮度
亮度是LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit。

若光源表面是理想漫反射面，亮度BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。
LED 亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO 也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，ηc（复合效率）下降，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。
2.6 寿命
老化：LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=BO e-t/τ，Bt 为t 时间后的亮度，BO 为初始亮度。
通常把亮度降到Bt=1/2BO 所经历的时间t 称为二极管的寿命。测定t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。

测量方法：给LED 通以一定恒流源，点燃103 ~104小时后， 先后测得BO ，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。
长期以来总认为LED 寿命为106小时，这是指单个LED 在IF=20mA 下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。
如LED 的光衰减为原来35%，寿命＞6000h。
3 热学特性
LED的光学参数与pn 结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20 mA 长时间连续点亮LED 温升不明显。
若环境温度较高，LED 的主波长或λp 就会向长波长漂移，BO 也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。
LED的主波长随温度关系可表示为：

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于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。