LED发光原理及牲
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:又叫热辐射,是指物质在高温下发 出的光。
热光
白炽灯:当钨丝在真 空或是惰性气体中加 热至很高的温度,就 会发出白光。
物体的 发光方式
冷光
:某种能源在较低温度时所发 出的光。发冷光时,某个原 生物发光:萤火虫 子的一个电子受外力作用从 基态激发到较高的能态。由 化学发光:荧光粉 于这种状态是不稳定的,该 电子通常以光的形式将能量 阴极射线发光:荧光灯、 释放出来,回到基态。
VB
击 穿 区 反向死区
区
0
死区电压
对LED较为重要的电学参数
开启电压UON 正向电流IF 正向电压VF 反向电压VR
正向工作电压VF:参数表中给出 开启电压:电压在开启点以前几乎没有 的工作电压是在给定的正向电流 反向漏电:当加反向电压时,外加电场与内建 F 电流,电压一超过开启点,很快就显出 势垒电场方向相同,便阻止了多数载流子的扩 下得到的。小功率彩色 LED一般是 最大反向电压 VRm:所允许加的最大反向 欧姆导通特性,电流随电压增加迅速增 散运动,所以只有很小的反向电流流过管子。 在 IF=20mA时测得的,正向工作电 电压。超过此值,发光二极管可能被击 大,开始发光。开启点电压因半导体材 但是,当反向电压加大到一定程度时,结在内 压 VF在1.5~2.8V 。功率级LED一 穿损坏。反向击穿电压也因材料而异, 外电场的作用下,把晶格中的电子强拉出来, 料的不同而异。 GaAs是1.0V,GaAs1-xPx, 般在 IFAs =350mA 时测得的,正向工 参与导电,因而此时反向电流突然增大,出现 一般在 -2V 以上即可。 Ga Al 大致是 1.5V(实际值因x值的 1-x x V 在2~ 作电压 4V。在外界温度升 反向击穿现象。正向的发光管反向漏电流 F 不同而有些差异), GaP(红色)是 IR<10μA以下反向漏电流 IR(V= -5V)时, GaP 高时, VF将下降。 F Fm 1.8V GaP 2.0V,GaN LED 为的 为0,, GaN 为(绿色)是 10uA。反向电流越小,说明 单向导电性能越好。 2.5V 。
电 学 特 性
I-V特性 响应时间 允许功耗
LED的伏-安(I-V)特性
(1) LED的伏-安(I-V)特性是流过芯片PN 结电流随施加到PN结两端上电压变化的特 性,它是衡量PN结性能的主要参数,是PN 结制作优劣的重要标志。 (2)LED具有单向导电性和非线性特性。
IF
正向电流 正 向 工 作
光 学 特 性
空间分布 光谱分布 光学参数
LED发光强度的空间分布
• 发光强度的空间分布又叫配光曲线。 • 空间分布不均匀 • LED辐射的空间特性取决于封装半导体芯片 结构及封装形式。 • 封装好的LED内可能带有内部反射杯、透镜 以及一些散射和滤色材料。
发光面和角分布
光谱ห้องสมุดไป่ตู้性
• LED光辐射光谱分布有其独特的一面。 它不是单色光(如激光),也不是宽光 谱辐射(如白炽灯),而是介于两者之 间:有几十纳米的带宽、峰值波长位于 可见光或近红外区域。 • LED的波长分布有的不对称,有的则有 很好的对称性,具体取决于LED所使用 的材料种类及其结构等因素。 改变发光 层的电致发光层结构及合金组分的比例, 都会引起谱线的峰值波长和半宽度的变 化。 • LED光谱特性表征其单色性的优劣和其 主要颜色是否纯正。
紫(Violet)
• 光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带 宽度Eg有关,即 λ≈1240/Eg(mm) • 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量, 大小为禁带宽度Eg。 • Eg越大,所发出的光子波长就越短,颜色就会 蓝移。反之, Eg越小,所发出的光子波长就 越长,颜色就会红移。 • 若要产生可见光(波长在380nm紫光~780nm 红光),半导体材料的Eg应该在1.59~3.26 eV之间。 • 在此能量范围之内,带隙为直接带的Ⅲ-Ⅳ族 或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料只有GaN、 GaP等少数 材料,也可以利用Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族二元化合 物组成新的三元或四元Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族固溶 体,通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与 带隙类型。
• 光的颜色与芯片的材料有关系。 • 材料不一样,电子和空穴复合的能量不 一样,发出的光也不一样。 • 红、黄光芯片的主要材料:AlGaInP、 GaAlAs • 蓝、绿光芯片的主要材料:GaN、 InGaN
窗口层
P-限制层 活性层 N-限制层 布拉格反 射层 衬底
LED是利用化合物材料制成 pn结的光电器件。它具备 pn结结型器件的特性: (1)电学特性 (2)光学特性 (3)热学特性
金卤灯
场致发光:无极灯
电致发光:LED
电致发光原理:电场的作用 激发电子由低能态跃迁到高 能态,当这些电子从高能态 回到低能态的时候,根据能 量守恒原理,多余的能量将 以光的形式释放出来。 LED发光原理:电子与价带 上的空穴复合,复合时得到 的能量以光子的形式释放。
LED发光原理图
1。电子迁移率比空穴大得多。 2。N区的电子注入P区速度小,跃迁到价带与注入和空穴 复合,发射出由N型半导体能量所有决定的光。
光 子 E
各种颜色光的波长
光色 波长λ(nm)
780~630
代表波长
700
红(Red) 橙(Orange) 黄(Yellow) 绿(Green) 青(Cyan) 蓝(Blue)
630~600
600~570 570~500 500~470 470~420 420~380
620
580 550 500 470 420
A
B
400
450
500
550
600
650
700 波长(nm)
热学特性
• 当电流流过LED时,其PN结的温度(简称结温) 将升高,严格意义上说,就把P—N结区的温度定 义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的 尺寸,因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。 • 结温的变化将引起LED光输出、发光波长及正向电 压的变化。 • LED的最高结温与所使用的材料及封装结构有密切 关系。
YAG荧光粉
LED的光学参数
• 光谱半宽度 • 峰值波长 • 中心波长
1.0 相 0.8 对 光 谱 能 0.6 量 0.4 0.2
光谱半宽度Δλ:它表示发光 管的光谱纯度。是指图3中 1/2峰值光强所对应两波长之 间隔。中心波长入是指A、B 的中点处对应的波长。
P
光谱分布和峰值波长:有的发光二极管所 发之光并非单一波长,其波长大体按图所 示。该发光管所发之光中某一波长λP的 光谱能量(光强)最大,该波长为峰值波 长。只有单色光有峰值波长,不同颜色的 LED峰值波长是不同的,红光LED的峰值波 长一般为690nm左右。蓝光LED的峰值波长 一般为470nm左右。
允许功耗P
当流过LED的电流为IF、管压降为UF , 那么,LED的实际功率消耗P为: P=UF×IF LED工作时,外加偏压、偏流一部分 促使载流子复合发出光,还有一部分 变为热,使结温升高。 若结温大于外部环境温度时,内部热 量借助管座向外传热,散逸热量。 为保证LED安全工作,应该保证实际 功率在最大允许功耗范围内。
方向性强:平面发光,方向性强。它与点光源白炽灯不同,视角度≤180°,设计时 一定要注意和利用LED光源有不同的视角度和不能大于180°的特点 快响应:响应时间短,只有60ns,启动十分迅速;白炽灯是毫秒数量级 低电压:驱动电压低,工作电压为直流,安全
小体积:体积小、重量轻。利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具; 背光源产品 多色彩:LED色彩鲜艳丰富。不同的半导体材料,不同颜色的光。颜色饱和度达到 130%全彩色不同光色的组合变化多端,利用时序控制电路,更能达到丰富多彩的动 态变化效果 控制方便:只要调整电流,就可以随意调光,使灯光更加清晰柔和让人感觉更加舒服
正向工作电流I :它 是指发光二极管正常 发光时的正向电流值。 在实际使用中应根据 需要选择I 在0.6· I 以下。
B
E
C
AlGaInP LED
350mA 3.0v
VB
-20v -100mA
InGaN LED
350mA 3.4v
-7v
-100mA
响应时间
• LED响应时间是指:通一正向电流时开始发光和 熄灭所延迟时间,标志LED反应速度。 • 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 其响应时间小于10-9S。 因此它们可用在10~100MHZ 的高频系统 中。
目前发光二极管用的都是直接带隙材料
GaAs
Si
直接带隙材料中,电子与空穴复合时,其发光跃迁 (Radiative Transition)有以下可能性:
导 带 价 带
(1)带间复合
导带
Eg
Ec
价带
(2)自由激子相互抵消
Ev
(3)在能带势能波动区, 局部束缚激子的复合
图(1)和(2)是一般AlGaInP红光LED产生光的原理, 而图(3)是AlGaInN蓝光LED产生光的原理.
第二章
LED的发光原理 及特牲
• LED的发光原理 • LED的光、色、电特性 • LED的种类 • LED的特点 • 白光LED的实现
• LED是“light emitting diode” 的英文缩写。 • 中文名:发光二极管。 • LED是一种将电能转换为光能 的固体电致发光(EL) 半导体器 件。 • LED实质性核心结构是由元素 谱中的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物 材料构成的p-n结。
降低LED结温的途径
a、减少LED本身的热阻 b、控制额定输入功率 c、减少LED与二次散热机 构安装介面之间的热阻 d、良好的二次散热机构 e、降低环境温度
•
高效率:发光效率高,一个两瓦的LED灯相当于一个15瓦的普通白炽灯灯泡的照明 效果
•
• •
寿命长:LED灯最长可达100000小时;LED半衰减期可达50000小时以上
低耗电:比同光效的白炽灯最多可节省百分之七十 低故障:LED是半导体元件,与白炽灯和电子节能灯相比,没有真空器件和高压触发 电路等敏感部件,故障极低,可以免维修
•
• • • • •
绿色、环保:单色性好,LED光谱集中,没有多余红外、紫外等光谱,热量、辐射很 少,对被照物产生影响少。而且不含汞有害物质,废弃物可回收,没有污染
LED大都采用直接跃迁材料:
直接带隙半导体 直接带隙半导体材料就是导带最小值(导带底)和满带最大值在k 空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴(形成半 满能带)只需要吸收能量。 直接带隙半导体(Direct gap semiconductor)的例子:GaAs、 InP半导体。相反,Si、Ge是间接带隙半导体。 直接带隙半导体的重要性质:当价带电子往导带跃迁时,电子波矢不 变,在能带图上即是竖直地跃迁,这就意味着电子在跃迁过程中,动量 可保持不变——满足动量守恒定律。相反,如果导带电子下落到价带 (即电子与空穴复合)时,也可以保持动量不变——直接复合,即电子 与空穴只要一相遇就会发生复合(不需要声子来接受或提供动量)。因 此,直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短;同时,这种直接复合可 以把能量几乎全部以光的形式放出(因为没有声子参与,故也没有把能 量交给晶体原子)——发光效率高(这也就是为什么发光器件多半采用 直接带隙半导体来制作的根本原因)。 LED的输出光谱决定其发光颜色和光辐射纯度,也反映出半导体的特 性。
热的损害
• 当LED的结温升高时,,材料的禁带宽度将 减少,导致LED的发光波长变长,颜色红移。 一般情况下,LED的发光波长随温度变化为 0.2-0.3nm/℃,光谱宽度随之增加,影响颜 色鲜艳度。 • 在室温下,结温每升高1℃,LED的发光强度 会相应地减少1%左右。
结温上升的原因
a、元件不良的电极结构 b、P—N结的注入效率不 完美 c、出光效率的限制 d、LED元件的热散失能力。