第五章LED發(fā)光二極管

第五章LED發(fā)光二極管第一頁，共92頁。2LED發(fā)光原理

由PN結芯片、電極和光學系統(tǒng)組成。其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當電子經(jīng)過該晶片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復合，電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。第二頁，共92頁。3一、概述LED（LightEmittingDiode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。在P-N結上加正向電壓，產(chǎn)生少子注入，少子在傳輸過程中不斷擴散，不斷復合而發(fā)光。這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。改變所采用的半導體材料，就能得到不同波長的發(fā)光顏色。第三頁，共92頁。4二、單色光LED的種類及其發(fā)展歷史最早應用半導體P-N結發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λ=650nm），在驅動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λ=555nm），黃光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。

第四頁，共92頁。590年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λ=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。第五頁，共92頁。6近期開發(fā)的LED不僅能發(fā)射出純紫外光而且能發(fā)射出真實的“黑色”紫外光，LED發(fā)展史到底能走多遠還不得而知，也許某天就能開發(fā)出能發(fā)X射線的LED。然而，LED的發(fā)展不單純是它的顏色還有它的亮度，像計算機一樣，遵守摩爾定律的發(fā)展，即每隔18個月它的亮度就會增加一倍，曾經(jīng)暗淡的發(fā)光二極管現(xiàn)在真正預示著LED新時代的來臨。第六頁，共92頁。7三、發(fā)光二極管制造中的主要工藝技術（一）外延生長技術:外延生長是半導體材料和器件制造的重要工藝。制作LED不但需要優(yōu)質無缺陷的單晶材料，為了形成LED中的發(fā)光中心，還需要對單晶材料做可控摻雜。“外延”一詞是指在單晶襯底上生長一層新單晶的技術。新單晶層的取向取決與襯底，并由襯底向外延伸而成，故稱“外延”層。外延生長工藝有液相外延、氣相外延、分子束外延、金屬有機化合物氣相淀積四種。第七頁，共92頁。8單晶硅直拉單晶硅第八頁，共92頁。多晶硅，是單質硅的一種形態(tài)。熔融的單質硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結合起來，就結晶成多晶硅。單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當熔融的單質硅凝固時,硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶硅。如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質方面。例如在力學性質、電學性質等方面，多晶硅均不如單晶硅。多晶硅可作為拉制單晶硅的原料。第九頁，共92頁。10

１、液相外延【LiquidPhaseEpitaxy,LPE】由溶液中析出固相物質并沉積在襯底上生成單晶薄層的方法。液相外延技術(LiquidPhaseEpitaxy,簡稱LPE)1963年由Nelson等人提出,其原理是:以低熔點的金屬(如Ga、In等)為溶劑,以待生長材料(如Ga、As、Al等)和摻雜劑(如Zn、Te、Sn等)為溶質,使溶質在溶劑中呈飽和或過飽和狀態(tài)。通過降溫冷卻使石墨舟中的溶質從溶劑中析出,在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數(shù)與單晶襯底足夠相似的晶體材料,使晶體結構得以延續(xù),實現(xiàn)晶體的外延生長。通過降溫冷卻使石墨舟中的溶質從溶劑中析出,在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數(shù)與單晶襯底足夠相似的晶體材料,使晶體結構得以延續(xù),實現(xiàn)晶體的外延生長。液相外延由尼爾松于1963年發(fā)明，成為化合物半導體單晶薄層的主要生長方法，被廣泛的用于電子器件的生產(chǎn)上。薄層材料和襯底材料相同的稱為同質外延，反之稱為異質外延。第十頁，共92頁。11液相外延可分為傾斜法、垂直法和滑舟法三種，其中傾斜法是在生長開始前，使石英管內(nèi)的石英容器向某一方向傾斜，并將溶液和襯底分別放在容器內(nèi)的兩端；垂直法是在生長開始前，將溶液放在石墨坩鍋中，而將襯底放在位于溶液上方的襯底架上；滑舟法是指外延生長過程在具有多個溶液槽的滑動石墨舟內(nèi)進行。在外延生長過程中，可以通過四種方法進行溶液冷卻：平衡法、突冷法、過冷法和兩相法。第十一頁，共92頁。12

２、氣相外延【VapourPhaseEpitaxy,VPE】

一種單晶薄層生長方法。氣相外延廣義上是化學氣相沉積的一種特殊方式，其生長薄層的晶體結構是單晶襯底的延續(xù)，而且與襯底的晶向保持對應的關系。第十二頁，共92頁。13在半導體科學技術的發(fā)展中，氣相外延發(fā)揮了重要作用，典型代表是Si氣相外延和GaAs以及固溶體氣相外延。Si氣相外延是以高純氫氣作為輸運和還原氣體，在化學反應后生成Si原子并沉積在襯底上，生長出晶體取向與襯底相同的Si單晶外延層，該技術已廣泛用于Si半導體器件和集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)。GaAs氣相外延通常有兩種方法：氯化物法和氫化物法，該技術工藝設備簡單、生長的GaAs純度高、電學特性好，已廣泛的應用于霍爾器件、耿氏二極管、場效應晶體管等微波器件中。

第十三頁，共92頁。14第十四頁，共92頁。15

３、分子束外延【moleculebeamepitaxy,MBE】這是一種在晶體基片上生長高質量的晶體薄膜的新技術。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當溫度的單晶基片上，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。第十五頁，共92頁。16該技術的優(yōu)點是：使用的襯底溫度低，膜層生長速率慢，束流強度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。用這種技術已能制備薄到幾十個原子層的單晶薄膜，以及交替生長不同組分、不同摻雜的薄膜而形成的超薄層量子阱微結構材料。第十六頁，共92頁。17由于MBE的生長環(huán)境潔凈、溫度低、具有精確的原位實時監(jiān)測系統(tǒng)、晶體完整性好、組分與厚度均勻準確。第十七頁，共92頁。18

第十八頁，共92頁。19４、金屬有機化合物化學氣相淀積【MOCVD】用金屬有機化合物熱分解進行氣相外延生長的方法。MOCVD是金屬有機化合物化學氣相淀積(Metal-organicChemicalVaporDeposition)MOCVD是在氣相外延生長(VPE)的基礎上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術.它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應方式在襯底上進行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。

第十九頁，共92頁。MOCVD技術具有下列優(yōu)點:

(l)適用范圍廣泛，幾乎可以生長所有化合物及合金半導體；(2)非常適合于生長各種異質結構材料；(3)可以生長超薄外延層，并能獲得很陡的界面過渡；(4)生長易于控制；(5)可以生長純度很高的材料；(6)外延層大面積均勻性良好；(7)可以進行大規(guī)模生產(chǎn)。20第二十頁，共92頁。21目前－－MOCVD設備制造商主要有兩家：1.德國AIXTRON公司(英國THOMASSWAN公司已被AIXTRON公司收購)累計銷售1000臺。2.美國VEECO公司（并購美國EMCORE公司）。

其中AIXTRON公司（含THOMASSWAN公司）大約占60-70%的國際市場份額，而VEECO公司占30-40%。第二十一頁，共92頁。22（二）擴散技術：用于LED制造中的摻雜。擴散過程分兩步，首先通過氣相沉積或涂敷的方法，在基片表面上覆蓋一層所希望的摻雜劑，使基片表面上含有一定的雜質，稱為預沉積；然后加溫使雜質原子向晶體內(nèi)運動。擴散深度取決于溫度和擴散時間。（三）制備電極：在電極引線與p-n結間希望形成歐姆接觸。歐姆接觸指的是它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。第二十二頁，共92頁。23四、ＬＥＤ的分類1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管可用于做指示燈用。第二十三頁，共92頁。242．按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。第二十四頁，共92頁。25由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。（2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。第二十五頁，共92頁。263．按發(fā)光二極管的結構分類按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。第二十六頁，共92頁。274．按發(fā)光強度和工作電流分按發(fā)光強度和工作電流分有:普通亮度的LED（發(fā)光強度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強度>100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。第二十七頁，共92頁。28點式LED字段式LED點陣式LED光柱式LEDLED的類型第二十八頁，共92頁。29五、LED封裝LED封裝的作用是將外引線連接到LED芯片的電極上，不但可以保護LED芯片，而且起到提高發(fā)光效率的作用。所以LED封裝不僅僅只是完成輸出電信號，更重要的是保護管芯正常工作，輸出可見光的功能?？梢奓ED封裝既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設計及技術要求，并不是一項簡單的工作。

第二十九頁，共92頁。301產(chǎn)品封裝結構類型：根據(jù)發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等情況特征來分類的。2引腳式封裝：LED腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場的封裝結構，品種數(shù)量繁多，技術成熟度較高，封裝內(nèi)結構與反射層仍在不斷改進。第三十頁，共92頁。313表面貼裝封裝：表面貼裝封裝的LED(SMDLED)逐漸被市場所接受，并獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢。4功率型封裝：LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關鍵技術，能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn)。第三十一頁，共92頁。1）LED單芯片封裝

LED在過去的30多年里，取得飛速發(fā)展。第一批產(chǎn)品出現(xiàn)在1968年，工作電流20mA的LED的光通量只有千分之幾流明，相應的發(fā)光效率為0.1lm/W，而且只有一種光色為650nm的紅色光。70年代初該技術進步很快，發(fā)光效率達到1lm/W，顏色也擴大到紅色、綠色和黃色。伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個LED光源的功率和光通量也在迅速增加。原先，一般LED的驅動電流僅為20mA。到了20世紀90年代，一種代號為“食人魚”的LED光源的驅動電流增加到50-70mA，而新型大功率LED的驅動電流達到300—500mA。特別是1998年白光LED的開發(fā)成功，使得LED應用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質性的一步。第三十二頁，共92頁。圖2-1普通LED圖2-2高亮度LED圖2-3“食人魚”LED圖2-4大功率LED第三十三頁，共92頁。A功率型LED封裝技術現(xiàn)狀功率型LED分為功率LED和瓦(W)級功率LED兩種。功率LED的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率LED除外)；W級功率LED的輸入功率等于或大于1W。第三十四頁，共92頁。最早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的LED，并于1994年推出改進型的“SnapLED”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達0.3W。接著OSRAM公司推出“PowerTOPLED”，之后一些公司推出多種功率LED的封裝結構。這些結構的功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高幾倍，熱阻降為過去的幾分之一。第三十五頁，共92頁。W級功率LED是未來照明的核心，世界各大公司投入很大力量，對其封裝技術進行研究開發(fā)。單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEONLED，該封裝結構的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊在熱沉上，并采用反射杯、光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED，Lumileds公司擁有多項功率型白光二極管封裝方面的專利技術。OSRAM于2003年推出單芯片的GoldenDragon”系列LED，其特點是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達1W。日亞的1WLED工作電流為350mA，白光、藍光、藍綠光和綠光的光通量分別為23、7、28和20流明，預計其壽命為5萬小時。第三十六頁，共92頁。B功率型LED封裝技術概述

半導體LED若要作為照明光源，常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠。因此，LED要在照明領域發(fā)展，關鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，功率型LED封裝技術主要應滿足以下兩點要求：①封裝結構要有高的取光效率；②熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED的光電性能和可靠性。第三十七頁，共92頁。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構，雖然其內(nèi)量子效率還需進一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的發(fā)光通量，除了芯片外，器件的封裝技術也舉足輕重。第三十八頁，共92頁。功率型LED封裝關鍵技術：a.散熱技術

傳統(tǒng)的指示燈型LED封裝結構，一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達150～250℃/W，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED封裝形式，將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應力造成開路而失效。第三十九頁，共92頁。對于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型LED器件的技術關鍵?？刹捎玫妥杪?、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質熱沉，并采用半包封結構，加速散熱；甚至設計二次散熱裝置，來降低器件的熱阻；在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路，也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象；零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。第四十頁，共92頁。圖2-5普通LED封裝結構圖圖2-6大功率LED封裝結構圖第四十一頁，共92頁。b.二次光學設計技術

為提高器件的取光效率，設計外加的反射杯與多重光學透鏡。c.功率型LED白光技術第四十二頁，共92頁。照明用W級功率LED產(chǎn)品要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術問題：①熒光粉涂敷量和均勻性控制：LED芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法，通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中，由于載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導致了白光顏色不均勻。第四十三頁，共92頁。②芯片光電參數(shù)配合：半導體工藝的特點，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(shù)(如波長、光強)和電學(如正向電壓)參數(shù)差異。RGB三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數(shù)影響很大，這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關鍵技術之一。第四十四頁，共92頁。③根據(jù)應用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制：不同用途的產(chǎn)品對白光LED的色坐標、色溫、顯色性、光功率(或光強)和光的空間分布等要求不同，上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，對上述因素進行控制，得到符合應用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。第四十五頁，共92頁。d.檢測技術與標準

隨著W級功率芯片制造技術和白光LED工藝技術的發(fā)展，LED產(chǎn)品正逐步進入照明市場，顯示或指示用的傳統(tǒng)LED產(chǎn)品參數(shù)檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內(nèi)外的半導體設備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標準存在一定的差異，增加了測試應用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復雜化。LED要往照明業(yè)拓展，建立LED照明產(chǎn)品標準是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。第四十六頁，共92頁。e.篩選技術與可靠性保證

由于燈具外觀的限制，照明用LED的裝配空間密封且受到局限，不利于LED散熱，這意味著照明LED的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用LED產(chǎn)品。另外，照明LED是處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對不同的產(chǎn)品用途，進行適當?shù)臒崂匣囟妊h(huán)沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。第四十七頁，共92頁。f.靜電防護技術

由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當?shù)某潭?，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很?。粚τ贗nGaN/AlGaN/GaN雙異質結，InGaN有源層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。GaN基LED和傳統(tǒng)的LED相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點，靜電導致的失效問題已成為影響產(chǎn)品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，靜電的防范是否得當，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟效益。第四十八頁，共92頁。靜電的防范技術有如下幾種：①對生產(chǎn)使用場所從人體、臺、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等方面實施防范。②芯片上設計靜電保護線路。③LED上裝配靜電保護器件。第四十九頁，共92頁。2）多芯片集成封裝

為避免大尺寸芯片導致發(fā)光效率的下降等問題，可采用小尺寸芯片集成的方法來增加單管最大可發(fā)光通量。由于小芯片技術相對成熟，各種高熱導絕緣夾層的鋁基板散熱好，對提高光效和增加器件穩(wěn)定性都有好處并便于芯片集成和散熱，效果不錯，結構和封裝形式較多。但正裝小芯片固有的缺點如電極引線遮光等問題，在多片集成時會加重而影響發(fā)光效率，在基板上設計“無引線”的芯片集成可避免引線問題，是提高小芯片集成光效的途徑之一。第五十頁，共92頁。圖2-7多芯片集成封裝產(chǎn)品第五十一頁，共92頁。3）熒光粉

在白光LED的制備中，熒光粉是一個非常關鍵的材料，它的性能直接影響白光LED的亮度、色坐標、色溫及顯色性等。利用LED芯片配合特定熒光粉產(chǎn)生白光的方法工藝簡單，成本較低。目前商品化白光LED產(chǎn)品及未來的發(fā)展趨勢仍以單芯片型為主流，而開發(fā)具有良好發(fā)光特性的熒光粉是得到高亮度、高發(fā)光效率、高顯色性白光LED的關鍵所在。第五十二頁，共92頁。通常，選擇LED用熒光粉的標準是：①熒光粉能被與之匹配的LED芯片有效激發(fā)；②并具有高的量子效率；③化學性質穩(wěn)定。第五十三頁，共92頁。目前采用熒光粉產(chǎn)生白光共有三種方式：藍光LED配合黃色熒光粉；藍光LED配合紅色、綠色熒光粉；UV-LED配合紅、綠、藍三色熒光粉。目前商品化的白光LED多屬藍光LED配合黃色熒光粉的單芯片型，藍光LED配合紅色、綠色熒光粉的白光產(chǎn)生方式只是在OSRAR、Lumileds等公司的專利上報道過，但仍未有商品化產(chǎn)品出現(xiàn)，而UV-LED配合三色熒光粉的方式目前也尚處于開發(fā)中。第五十四頁，共92頁。55六、LED的結構及發(fā)光原理

結構：50年前人們已經(jīng)了解半導體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，第一個商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文lightemit-tingdiode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。第五十五頁，共92頁。56圖3第五十六頁，共92頁。57圖4第五十七頁，共92頁。58原理：LED的實質性結構是半導體PN結，核心部分由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。其發(fā)光原理可以用PN結的能帶結構來做解釋。制作半導體發(fā)光二極管的半導體材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。第五十八頁，共92頁。59在常態(tài)下及PN結阻擋層的限制，二者不能發(fā)生自然復合，而當給PN結加以正向電壓時，由于外加電場方向與勢壘區(qū)的自建電場方向相反，因此勢壘高度降低，勢壘區(qū)寬度變窄，破壞了PN結動態(tài)平衡，產(chǎn)生少數(shù)載流子的電注入?？昭◤腜區(qū)注入N區(qū)，同樣電子從N區(qū)注入到P區(qū)，注入的少數(shù)載流子將同該區(qū)的多數(shù)載流子復合，不斷的將多余的能量以光的形式輻射出去（從紫外到紅外不同顏色的光線）。光的強弱與電流有關。

第五十九頁，共92頁。60發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-V特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。如圖5所示。第六十頁，共92頁。61鍺二極管伏安特性圖5硅二極管伏安特性第六十一頁，共92頁。62

圖5-1第六十二頁，共92頁。63七、LED光源的特點

優(yōu)點：1.電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在2-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。2.效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。3.適用性：很小，每個單元LED小片是3-5的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。4.穩(wěn)定性：10萬小時，光衰減為初始的50%。5.主動發(fā)光，一般產(chǎn)品發(fā)光強度＞1cd，高的可達10～３０cd；第六十三頁，共92頁。64

6.響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級。對于直接復合型材料為16~160MHZ；對于間接復合型材料為MHZ；7.對環(huán)境污染：無有害金屬汞。8.顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法，調(diào)整材料的能帶結構和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。第六十四頁，共92頁。65

9.價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。缺點：電流大、功耗大。第六十五頁，共92頁。66

八、LED發(fā)光器件光度學參數(shù)的測量相關光度學與輻射度學參數(shù)有：1.光通量Φv(LuminousFlux)：通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時，器件光學窗口發(fā)射的光通量。2.發(fā)光強度Iv(LuminousIntensity)：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，可表示為IV=dΦ/dΩ。3.相對光譜能量(功率)分布P()(RelativeSpectralDistributions)：在光輻射波長范圍內(nèi)，各個波長的輻射能量分布情況。第六十六頁，共92頁。674.峰值發(fā)射波長p(Peak-emissionWavelength)：光譜輻射功率最大的值所對應的波長。5.光譜半波寬Δ(FullWidthHalfMaximum，F(xiàn)WHM)：峰值發(fā)射波長的輻射功率的1/2所對應兩波長的間隔。第六十七頁，共92頁。68九、LED的應用

由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應根據(jù)實際需要進行恰當選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時，應保證不超過此值。為安全起見，實際電流IF應在0.6IFm以下；應讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR<0.6VRm。LED被廣泛用于種電子儀器和電子設備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。第六十八頁，共92頁。69（1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖6所示。圖中電阻R限流電阻，其值應保證電源電壓最高時應使LED的電流小于最大允許電流ＩFm。圖6第六十九頁，共92頁。70（2）圖7(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。圖(a)中的電阻≈（E-VF）/IF；圖(b)中的R≈（1.4Vi-VF）/IF;圖(c)中的R≈Vi/IF式中，Vi——交流電壓有效值。第七十頁，共92頁。71圖7第七十一頁，共92頁。72

（3）單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號是否正常，如圖8所示。R為限流電阻。只有當輸出電壓大于LED的閾值電壓時，LED才可能發(fā)光。圖8圖9第七十二頁，共92頁。73（4）單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向導通后，電流隨電壓變化非常快，具有普通穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4～3V間，應根據(jù)需要進行選擇VF，如圖9所示。第七十三頁，共92頁。74

（5）電平表。目前，在音響設備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號電平的，即發(fā)光的LED數(shù)目不同，則表示輸出電平的變化。圖10是由5只發(fā)光二極管構成的電平表。當輸入信號電平很低時，全不發(fā)光。輸入信號電平增大時，首先LED1亮，再增大LED2亮……。圖10第七十四頁，共92頁。75

（6）單色光LED應用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。第七十五頁，共92頁。76汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩廣告顯示屏得到了廣泛的應用。第七十六頁，共92頁。77360°LED環(huán)型顯示器第七十七頁，共92頁。78工作原理第七十八頁，共92頁。79第七十九頁，共92頁。80十、白光LED的開發(fā)第八十頁，共92頁。81白光LED的開發(fā)對于一般照明，或顯示器的背照光而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（λ=465nm，譜寬=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm?，F(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。第八十一頁