LED-光电基础知识演示幻灯片.ppt

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,LED,光电基础知识,1,目錄,甚麼是,LED,LED,的優點,/,缺點,LED,的光學特性,LED,測試的基本概念,白光,LED,總結,2,1.甚麼是LED,Light Emitting Diode(發光二極管),二極管(Diode)的一種,有着和二極管相同的电学特性,會發光(可見光或不可見光,如IR,UV),二極管,發光二極管,符號,3,1.甚麼是LED,基本结構:,1.襯底,2.n-GaN,3.p-GaN,4.MQWs,5.,金屬接觸/电極,6.基座(optional),4,1.甚麼是LED,二極管,半導体器件,以電壓控制電流的器件,正向偏壓(forward bias),當电壓大於開啟电壓(Vf)後电流可通過,反向偏壓(reverse bias),漏電(leakage current),當电壓大於擊穿電壓(breakdown voltage)後电流可通過,5,1.甚麼是LED,I-V特性,6,1.甚麼是LED,LED為甚麼會發光?,當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量,多層量子阱-增加複合機會,LED內部工作原理,7,1.甚麼是LED,LED為甚麼會發光?,並不是所有半導體都會發光,Direct band-gap(可發光,e.g.GaN,GaAs),Indirect band-gap(,不可發光,e.g.Si),8,2.LED的優點/缺點,優點,發光(能量轉換)效率高-也即較省電。比燈泡高，但與螢光燈相約。,反應(開關)時間快-可以達到很高的閃爍頻率。,使用壽命長-達35,000 50,000小時，相對螢光燈為10,000 15,000小時，白熾燈為1,000 2,000小時。,耐震蕩等機械衝擊-由於是固態元件，相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震蕩。,體積小-其本身體積可以造得非常細小(小於2mm)。,便於聚焦-因發光體積細小，易於而以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外形，方向性從大角度的散射以至集中於細角度都可以達到。,多種顏色-能在不加濾光器下提供多種不同顏色，而且單色性強。,色域豐富-白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣,9,2.LED的優點/缺點,缺點,散熱問題，如果散熱不佳會大幅縮短壽命。,除非購買高級產品、否則省電性還是低於螢光燈（冷陰極管，CCFL），有些LED的省電性也低於,省電燈泡,。,初期成本較高。,因光源屬於方向性，,燈具,設計需考量光學特性。,10,3.LED的光學特性,發展初期，採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線或紅光。,1993年，當時在日本,日亞化工,（Nichia Corporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料,氮化鎵,（GaN和,銦氮化鎵,（InGaN）的具有商業應用價值的藍光LED，這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。,隨著材料科學的進步，各種顏色的發光二極體，現今皆可製造。,11,3.LED的光學特性,材料決定了波長,而波長決定了發光顏色,InGaN/GaN(銦氮化鎵/氮化鎵)是現時APT製造LED的主要外延材料,APT白光LED:籃光LED+黃磷,Reference:zh.wikipedia.org/w/index.php?title=LED&variant=zh-tw#.E5.8E.9F.E7.90.86,12,3.LED的光學特性,Energy Gap(禁带宽度),波長與 lattice constant(晶格常数)的關係,Green gap AlInGaP,InGaN 绿光发光效率,都低,Green gap,13,3.LED的光學特性,14,4.LED測試的基本概念,正向,偏壓(Vf,1,Vf,2,If),反向,偏壓,ESD(Vr,Ir),峰值波長(WLP),FWHM,主波長(WLD),亮度(LOP,lm,mcd,mW),光分佈,15,4.LED測試的基本概念,正向,偏壓(If,1,Vf,1,Vf,2,J),If,1,-正向電流/工作電流,一般根據芯片大小決定,如1mm x 1mm芯片為350mA.,Vf,1,-正向電壓,一般,為對應If,1,的工作電壓.,Vf,2,-正向電壓,業界定Vf,2,用作監控產品的漏電情况,一般以10uA作測試,大於2-2.2V為合格.,J-電流密度,在比較不同,尺寸芯片性能時,一般會用J取代I.,P,in,-,輸入工率,即 If x Vf,單位 W,亦有以此作產品定義,如1mm x 1mm定義為 1W芯片.,16,4.LED測試的基本概念,影響Vf的因素:,電阻值(R)大,LED電阻值,p-GaN,n-GaN(internal),p,n-Ohmic contact(contact),Metal layer layout,wire,packageetc(external),V,I,ideal,normal,High Vf,V=IR,MQW,R,int-p,R,int-n,R,cont-p,R,cont-n,R,ext-n,R,ext-p,17,4.LED測試的基本概念,反向,偏壓,ESD(Ir,Vr,V,br,V,ESD,),Ir-反向電流,在理想的情况下,此數值為零;但實際,會有極小的電流,一般稱為漏電.,Vr-反向電壓,業界多定 Vr=-5V作為Ir的測試條件,V,br,-擊穿電壓,當Vr V,br,Ir會急速上升.,V,ESD,-抗静電電壓,一般以,高脈衝電壓作測試.抗静電電壓的高低一般取決於材料的質量.亦可外加ESD保護器件.,18,4.LED測試的基本概念,IR,成因:,晶體缺陷(Defects),當電壓大於缺陷可承受的電壓(如V,ESD,),可能導致缺陷擴大,短路(Short circuit),光刻缺陷,污染物,ESD保護電路,齊納(稽納)二極體,V,I,19,4.LED測試的基本概念,峰值波長 WLP,FWHM-見右圖,一般要求不多於20nm.,20,4.LED測試的基本概念,主波長 WLD,在測試LED顏色時,可得到 CIE 1931座標,由white point起至所得的座標作一直線並申延至尺上波長.業界使用WLD較WLP為多.,CIE 1931,21,4.LED測試的基本概念,亮度,(LOP or Iv),Solid angle(,立體角),:Unit sr,radiant,flux,:Unit Watt(W),luminous,flux,:Unit lumen(lm),Radiant,intensity,(Ie):Unit W/sr,Luminous,intensity,(Iv):Unit lm/sr or candela(cd),Radiant 輻射(電學),Luminous 發光(,光學),22,4.LED測試的基本概念,電學,光學是靠 Photopic Luminosity function轉換,人對555nm(綠色)最敏感,555nm,1W=683lm,Photopic luminosity functions,475nm,1W=683 x 0.1,=68.3lm,23,4.LED測試的基本概念,APT,亮度提高方法,外延方面,Current blocking layer-阻擋電子流過,增加電洞和電子相遇的機會,PSS-,尺寸,減少光子,在器件,內全,反,射從而增加出光效率,對減少外延,位错有幫助,n,PSS-,n,尺寸,進一步增加出光效率,及減少外延位错,P-,金屬層反光率,先決條件:平滑的p-GaN表面,由A系 50%改良至,B,系,80%,年初上升至95%,Current blocking layer,24,4.LED測試的基本概念,25,4.LED測試的基本概念,光分佈,26,5,.白光LED,紅綠藍系統(RGB system),有了藍光LED之後，結合原有的紅光LED和綠光LED便可產生白光，這樣產生的白光LED有很廣的色域，但由於,成本相當高,，大部份白光LED很少採用這方法，現在只有只有在高檔次、有高要求的產品中使用。,27,5.,白光LED,磷光劑白光LED,現在大部份的白光LED都採用單一發光單元發出較短波長的光(如藍光或紫外光)，再用磷光劑把部份或全部光轉化成一或多種其他顏色的光(波長較長的光)，當所有光混合起來後，看起來便像白光。,28,5,.白光LED,色温 Color temperature,以絕對溫度K來表示，即將一標准黑體加熱，溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時，我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫,名稱,說明,暖色光,暖色光的色溫在3300K以下，暖色光與白熾燈相近，紅光成分較多，能給人以溫暖，健康，舒適的感受。適用與家庭，住宅，宿舍，賓館等場所或溫度比較低的地方。,冷白色光,又叫中性色，它的色溫在3300K到5300K之間，中性色由於光線柔和，使人有愉快，舒適，安詳的感受。適用與商店，醫院，辦公室，飯店，餐廳，候車室等場所。,冷色光,又叫日光色，它的色溫在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感覺，使人精力集中。適用與辦公室，會議室，教室，繪圖室，設計室，圖書館的閱覽室，展覽櫥窗等場所。,29,5,.白光LED,30,5.,白光LED,顯色性(CRI),光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度,光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基准光（太陽光）照明時顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性,顯色性高的光源對顏色表現較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色表現較差，我們所見到的顏色偏差也較大。,國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數定為100，各類光源的顯色指數各不相同，如：高壓鈉燈顯色指數Ra=23，熒光燈管顯色指數Ra=6090。,31,5.,白光LED,光效：,衡量光源節能的重要指標，就是光源發出的光通量除以光源所消耗的功率。單位：流明/瓦（lm/W）。,例子:APT 45mil,白光產品I=350mA,V=3.2V,白光光通量=100lm光效=100lm/(350mA x 3.2V)=89.3lm/W,現時市場主流 80lm/W350mA,Cree實驗品 161lm/W350mA,32,5.,白光LED,光源,效（Lm/W）,壽命,普通燈泡,13,1倍,石英鹵素燈,18,2倍,電燈泡(含安定器),65,5倍,傳統日光燈,75,5倍,PL型日光燈(即U型日光燈),80,10倍,三波長日光燈管,95,10倍,白光LED燈,80-100,100倍,參考數據：,33,6.總結,LED是二極管的一種,有着類,似的電學特性.,當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量,各種顏色的發光二極體，現今皆可製造。,正向偏壓,反向偏壓,峰值波長,FWHM,主波長,亮度,光分佈,白光LED,的製造,色溫,顯色性,光效,34,