LED是什么？看完你就懂了,LED知識介紹

2014.08.15照明知識大講堂

LED基礎(chǔ)知識篇產(chǎn)品基礎(chǔ)－LED基礎(chǔ)知識

3.LED光源的特性

4.LED的發(fā)光原理

5.LED芯片的結(jié)構(gòu)

6.LED芯片的生產(chǎn)LED基礎(chǔ)知識

2.LED優(yōu)點和缺點

7.LED芯片的種類

8.LED的發(fā)展歷史2014.08.151.

LED的初步認識

11.LED的產(chǎn)業(yè)分布

12.LED的關(guān)鍵參數(shù)

10.LED的封裝樣式

15.LED****9.

LED光效的比較2014.08.15LED是取自LightEmittingDiode三個字的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”，是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的固態(tài)半導體電子器件，具有二極管的特性。LED的心臟是一個半導體的晶片。晶片主要由P型半導體和N型半導體組成，不同材料的P型和N形半導體經(jīng)正向電流作用下會發(fā)出不同色彩的光（不同于白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，LED采用電場發(fā)光）LED的認識2014.08.15LED的優(yōu)點LED的缺點1.節(jié)能,比白熾燈節(jié)能80%以上,比節(jié)能燈節(jié)能50%以上體積小，重量輕，不怕震動3.光效高，是白熾燈15m/w的8倍，是熒光燈50

Lm/w的2倍多光色可選擇，LED光源的發(fā)光顏色和色溫都可以靈活應用方向性好，LED發(fā)光角度可以靈活調(diào)整環(huán)保：沒有節(jié)能燈所含的汞等有害物質(zhì)7.冷光源無紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射。8.壽命長,壽命可達5萬-10萬小時比傳統(tǒng)光源壽命長10-50倍以上9.響應速度快，納秒級1.散熱問題，LED在電致光的過程中另外一部分能量轉(zhuǎn)化成熱量，如無法及時散發(fā)出去，PN結(jié)的結(jié)溫將會升高，加速芯片和封裝樹脂的老化，使芯片失效，影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)2.防水性能差，是戶外使用的一個致命弱點

光源內(nèi)部吸水后內(nèi)部金屬氧化影響輸出或

產(chǎn)生內(nèi)應力、熒光粉吸潮變色,光色漂移3.成本較高.光源.散熱器.電源.高透燈罩/透鏡/反射罩.四者成本集體推高LED成本4.需要驅(qū)動器提供恒流電源，驅(qū)動器壽命是影響燈具壽命的重要因素5.半導體器件，對靜電影響比較敏感，易被

靜電擊穿PN結(jié)導致漏電流或死燈LED的優(yōu)缺點2014.08.15LED的發(fā)光原理當給PN結(jié)一個正向電壓,PN結(jié)的內(nèi)部電場被抵消，N型區(qū)的-電子和P型區(qū)的+空穴被推向PN結(jié)，在多量子阱內(nèi)電子跟空穴復合，復合所產(chǎn)生的能量以光(有效復合)和熱(無效復合)的形式釋放，這就是LED發(fā)光的基本原理。(如果給PN結(jié)加反向電壓，PN結(jié)的內(nèi)部電場被增強，電子(負電荷粒子)以及空穴(正電荷離子)難以注入，故不發(fā)光)正向電流發(fā)光反向電流不發(fā)光2014.08.151.LED工作電壓一般在2-3.9V之間。(不同光色的LED壓降不一樣)綠色－3.3-3.9V藍色、寶藍色－3.1-3.9V紅色、琥珀色、橘紅色、－2.1-2.5V2.LED的工作電流會隨著供應電壓的變化而產(chǎn)生較大的波動，所以LED

一般要求工作在恒流驅(qū)動狀態(tài)。3.LED具有單向?qū)ǖ奶匦?電流只能從二極管的正極流入,負極流出)4.LED的光輸出會因應其輸入的電流而產(chǎn)生變化5.LED的光輸出深受其工作溫度的影響LED的特性2014.08.15LED各種光色的輻射功率LED的特性2014.08.15LED的特性－正向電流與正向電壓2014.08.15LED的特性－結(jié)溫與輻射通量2014.08.15LED的特性－正向電流與相對輻射通量2014.08.15LED白光的組成LED芯片是半導體發(fā)光器件LED的核心部件,它主要由砷(AS).鋁(AL).鎵(Ga).銦(IN).磷(P).氮(N).鍶(Ｓi)這幾種元素中的若干種組成。)2014.08.15JHIGMNGABCEDFKLHL芯片也叫晶粒A藍寶石基板EP型接觸I芯片長度

MP電極直徑B低溫緩沖層F透明導電層J芯片寬度NN電極直徑CN型接觸GP極金屬層K芯片高度D發(fā)光層HN極金屬層L電極厚度LED芯片的結(jié)構(gòu)2014.08.15上游:襯底、外延片、晶粒的生產(chǎn)1.制造成單晶棒，再將單晶棒用鉆石刀切成薄片(主要有藍寶石和、SiC、Si)

長晶爐生長－掏取晶棒－滾磨－品檢－切片－研磨－倒角－拋光－清洗－品檢－OK2.外延片生產(chǎn)－利用MOCVD金屬有機化學氣相淀積等方法在單晶襯底在上面磊晶

襯底-結(jié)構(gòu)設(shè)計-緩沖層生長-N型GaN層生長-多量子阱發(fā)光層生-P型GaN層生長–退火-檢測（熒光、X射線）-外延片3.芯片生產(chǎn)－在外延片上制作電極(PN電極)并對成品進行切割分選等

外延片活化－蝕刻－蒸鍍－PN電極制作－保護層－上焊盤－研磨拋光－點測－切割－擴張－目檢－包裝中游:

LED芯片的封裝1.上支架－點底膠－放芯片－烘烤固晶－金絲鍵合－模具灌膠－插支架－離模－后固化

－切腳－測試－光色分選－包裝(草帽管、食人魚等)2.上支架－點底膠－放芯片－烘烤固晶－金絲鍵合－點熒光膠－外殼灌封－測試－光色

分選－包裝(大功率LED)下游:LED光源的應用光源模組、替代光源、燈具、燈條燈帶、廣告燈箱、燈光工程、家居裝飾、顯示屏、汽車尾燈植物生長、醫(yī)療、手機筆記本電視的背光源等等LED的生產(chǎn)過程2014.08.15GaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAs850nm~940nm紅外線不可見光GaInN/Sapphire455nm~485nm高亮度藍GaInN/Sapphire490nm~540nm高亮度藍綠/綠AlGaInP/GaAs高亮度綠GaP/GaP555nm~560nm綠AlGaInP/GaAs高亮度黃綠GaP/GaP569nm~575nm黃綠AlGaInP/GaAs高亮度黃GaAsP/GaP585nm~600nm黃AlGaInP/GaAs高亮度橙GaAsP/GaP605nm~622nm橙AlGaInP/GaAs630nm~645nm高亮度紅AlGaAs/GaAs645nm~655nm紅可見光結(jié)構(gòu)波長顏色類別LED的芯片種類2014.08.15LED的發(fā)展歷史1907年，英國馬可尼(Marconi)實驗室的科學家HenryRound第一次推論半導體PN結(jié)在一定的條件下可以發(fā)出光。這個發(fā)現(xiàn)奠定了LED被發(fā)明的物理基礎(chǔ)。1927年，俄羅斯科學家奧列弗拉基洛謝夫（OlegVladimirovichLosev）獨立制作了世界上第一顆LED，其研究成果曾先后在俄國、德國和英國的科

學雜志上發(fā)表，可惜當時并沒有人理睬他。1955年，美國無線電公司（RadioCorporationofAmerica）33歲的物理學家魯賓·布朗石泰（RubinBraunstein）首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵(GaAs)及其他半

導體合金的紅外放射作用并在物理上實現(xiàn)了二極管的發(fā)光，可惜發(fā)出的光不是可見光而是紅外線，但這個貢獻也很大了。1961年，德州儀器公司（TI）的科學家鮑勃·布萊德（BobBiard）和加里·皮特曼（GaryPittman）發(fā)現(xiàn)砷化鎵在施加電子流時會釋放紅外光輻射。他們率先生產(chǎn)出了用于商業(yè)用途的紅外LED并獲得了砷化鎵紅外二極管的發(fā)明專利。不久，紅外LED就被廣泛應用于傳感及光電設(shè)備當中。1962年，美國通用電氣公司（GE）一名34歲的普通研究人員尼克·何倫亞克（NickHolonyakJr.）發(fā)明了可以發(fā)出紅色可見光的LED，被稱為“發(fā)光二極管之

父”，后來也獲得了N多獎項。當時的LED還只能手工制造，而且每只的售價需要10美元。1963年，他離開通用電氣公司，出任其母校美國伊利

諾大學電機工程系教授，培養(yǎng)自己的接班人。1972年，何倫亞克的學生喬治·克勞福德（M.GeorgeCraford）踏著前輩們的腳步發(fā)明了第一顆橙黃光LED，其亮度是先前紅光LED的10倍，這標志著LED

向著提高發(fā)光效率方向邁出的第一步。20世紀70年代末期，LED已經(jīng)出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，但依然沒有藍色和白色光的LED。因為只有發(fā)明出藍光LED才可能實現(xiàn)全彩色LED顯示，市場價值巨大，也是當時世界性的攻關(guān)難題。科學家們轉(zhuǎn)而將重點放在了提高LED的發(fā)光效率上面。20世紀70年代中期，LED可產(chǎn)生綠、黃、橙色光時，發(fā)光效為1流明/瓦，到了20世紀80年代中期對砷化鎵和磷化鋁的使用使得第一代高亮度紅、黃、綠色

光LED誕生，發(fā)光效率已達到10流明/瓦。1993年，中村修二在日本日亞化學工業(yè)株式會社(NichiaCorporation)就職期間，利用半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）發(fā)明了藍光LED，在

藍光LED出現(xiàn)之前，由于無法通過RGB系統(tǒng)合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應用于照明領(lǐng)域。因此在1995年中村修二采用銦氮化稼

又發(fā)明了綠光LED，在1998年利用紅、綠、藍三種LED制成白光LED，從此綠光與白光LED研制成功，標志著LED正式進入照明領(lǐng)域，是LED照明發(fā)

展最關(guān)鍵的里程碑。中村修二被稱為“藍光、綠光、白光LED之父”

1996年，日亞化學公司在日本最早申報的白光LED的發(fā)明專利就是在藍光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍光與熒光粉被激活后發(fā)出的黃

光互補而形成白光。藍色和白色光LED的出現(xiàn)拓寬了LED的應用領(lǐng)域，使全彩色LED顯示、LED照明等應用成為可能。21世紀初，LED已經(jīng)可以發(fā)出任何可見光譜顏色的光（還包括有紅外線和紫外線）。其發(fā)光效率已經(jīng)達到100流明/瓦以上.2014.08.151996年7月29日，日亞化學公司在日本最早申報的白光LED的發(fā)明專利就是在藍光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍光與熒光粉被激活后發(fā)出的黃光互補而形成白光?！八{光、綠光、白光LED之父”中村修二中村修二是加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB)工程學院材料系的教授。他于1993年在日本日亞化學工業(yè)株式中村修二會社(NichiaCorporation)就職期間，利用半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）發(fā)明了藍光LED，在藍光LED出現(xiàn)之前，由于無法通過RGB系統(tǒng)合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應用于照明領(lǐng)域。因此在1995年中村修二采用銦氮化稼又發(fā)明了綠光LED，在1998年利用紅、綠、藍三種LED制成白光LED，從此綠光與白光LED研制成功，標志著LED正式進入照明領(lǐng)域，是LED照明發(fā)展最關(guān)鍵的里程碑紅光LED發(fā)明人---NickHolonyakJr.

尼克·奧隆尼亞克在1962年發(fā)明LED的NickHolonyakJr.,他當時只是美國大廠通用電氣公司(GE,又稱為奇異)的一名普通研究人員,打造出了第一顆紅光LED,在發(fā)明了LED后,在1963年離開GE回母校任教LED光源的幾個關(guān)鍵性時間節(jié)點LED的發(fā)展歷史2014.08.15LED的發(fā)展歷史2014.08.15LED這幾年的光效發(fā)展情況白光LED的發(fā)展LED光源的產(chǎn)業(yè)分布2014.08.15◆上游：做外延、芯片企業(yè)（如CREE、LUMILEDS、日亞、歐司朗、首爾、三星、LG、晶

元、奇力、億光等企業(yè)）。其產(chǎn)品為“芯片”?！糁杏危褐饕亲龇庋b的企業(yè)，有些是純粹拿別的廠家芯片來封裝；有些本身是芯片企

業(yè)自己做封裝的。其產(chǎn)品為“LED光源”?！粝掠危褐饕獮閼眯袠I(yè)，產(chǎn)品為LED燈具。比如照明燈具廠家。芯片經(jīng)過封裝廠家做成LED光源，就是我們在燈具中需要應用的產(chǎn)品?！餅榱烁鼘I(yè)區(qū)分芯片和LED光源，我們應該對LED產(chǎn)品描述分為芯片和光源的兩種說法封裝LED光源的封裝結(jié)構(gòu)2014.08.15LED的封裝結(jié)構(gòu)1.

環(huán)氧樹脂封裝工藝：優(yōu)點：密封性好、

抗震性強、

防護能力好、成本低

缺點：散熱效果不佳、耐黃變能力弱、應力大、抗紫外能力弱,焊接溫度過高易開裂.故主要作為普光LED外封膠2.

硅樹脂封裝工藝：優(yōu)點：高折射率,高透光率,密封性能優(yōu)于硅膠,散熱能力介于環(huán)氧樹脂和硅膠之間,具有樹脂和硅膠的部分特性缺點：應力較硅膠大，防潮或焊接不當易出現(xiàn)膠裂/分層硅樹脂由于價格昂貴，主要作為高亮度級白光LED外封膠3.

硅膠封裝工藝：

優(yōu)點：熱膨脹系數(shù)小,散熱性能好、應力較小、紫光能力強、回流焊時不容易膠裂、耐黃變能力強

缺點：密封性不佳、防護能力弱、抗震性差,具有透氧透濕特性，用于戶外時需對燈體結(jié)構(gòu)進行二次防護

處理硅脂相對價格較貴，主要作為對光衰有要求的白光LED封膠LED的常見封裝樣式LED基礎(chǔ)知識2014.08.15

LAMPLED

TOPLED

HIGHPOWER

COBLED

SIDELED

CHIPLED2014.08.15LED的相關(guān)指標1、LED的光色：紅.綠.藍.黃.冷白.中性白.暖白等2、LED的光通量3、LED的色溫4、LED的電流5、LED的電壓6、LED的發(fā)光角度（高指向性、標準型、散射型）7、LED的焊接方式8、LED的最高結(jié)溫9、LED光源的熱阻10、顯色性（分忠實顯色、效果顯色）11、眩光（點光源，光集中，光強高）12、LED的使用壽命（5-10萬小時，主要受發(fā)熱影響）LED基礎(chǔ)知識2014.08.15LED與傳統(tǒng)光源發(fā)光對比光源種類光效（lm/w）顯色指數(shù)（Ra）色溫（K）平均壽命（G）白熾燈1510028001000鹵鎢燈2510030002000-5000普通熒光燈7070全系列10000三基色熒光燈9380-98全系列12000緊奏型熒光燈6085全系列8000高壓汞燈50453300-43006000金屬鹵燈物燈75-9565-923000/4500/56006000-20000高壓鈉燈100-12023/60/851950/2200/250024000低壓鈉燈20085175028000高頻無極燈50-70853000-400040000-80000LED50~33350~952600-100005000002014.08.15電流光色主波長正向電壓額定(V)最大(V)350mA白色3.053.9350mA寶藍色450-465nm3.13.9350mA藍色465-485nm3.13.9350mA綠色520-535nm3.93.9350mA琥珀色585-595nm2.12.5350mA橘紅色610-620nm2.12.5350mA紅色620-630nm2.12.5500mA琥珀色585-595nm2.3

700mA白色3.3

700mA橘紅色610-620nm2.3

700mA紅色620-630nm2.3

1000mA白色3.5

1000mA寶藍色450-465nm3.51000mA藍色465-485nm3.51000mA綠色520-535nm3.8

LED的參數(shù)2014.08.15A.顯示屏、交通訊號顯示光源的應用。(利用LED抗震耐沖擊、光響應速度快、省電和壽命長等優(yōu)點)LED的應用B、汽車工業(yè)上的應用。汽車用燈包含汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開關(guān)的背光源、閱讀燈和外部

的剎車燈、尾燈、側(cè)燈以及頭燈等。

利用LED長壽命、響應速度快的優(yōu)點。C、LED背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源。主要應用在LED背光源電視，LED光源投影機。

利用LED的廣色

域、薄型、低功耗的優(yōu)點。D、LED照明。利用LED光源節(jié)能省電的特點。E、裝飾、指示。主要應用在玩具、裝飾燈、服飾等。

利用LED體積小、無污染、色彩豐富、不易

碎破以及低壓使用的安全性的優(yōu)點。F、家用室內(nèi)照明。利用LED省電、無污染、長壽命的優(yōu)勢。熱的傳遞傳導.對流.輻射2014.08.15LED光源的三大核心部份－散熱LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過程中會放出大量的熱，使結(jié)溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發(fā)熱效應越大。溫度的升高將導致器件性能變化與衰減，非輻射復合增加，器件的漏電流增加，半導體材料缺陷增長，金屬電極電遷移，封裝用環(huán)氧樹脂黃化等等，嚴重影響LED的光電參數(shù)。甚至使功率LED失效。因此，對于LED器件，降低熱阻與結(jié)溫、對發(fā)光二極管的熱特性進行研究顯得日趨重要。2014.08.15LED光源的三大核心部份－配光配光可以控制燈具的照射范圍，照射方向，估計有效安裝高度、射程（當然跟光源有關(guān)系），照射范圍里的大概照度如何、照明環(huán)境的布光效果等光線的基本定理：（1）獨立傳播定律（2）直線傳播定律（3）