LED发光原理及光电参数.课件.ppt

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1、 LED简介简介发光原理及光电发光原理及光电特性特性 江苏新广联科技股份有限公司江苏新广联科技股份有限公司李睿李睿LED基本信息基本信息nLED是light emitting diodes的英文缩写，中文为发光二极管,顾名思义是一种以直接带隙材料构成的，p-n节为基础的固态半导体光电器件n目前LED都是以双异质节结构为主, 此外，高效LED结构中通常具有多量子阱结构进一步提高发光效率p-GaNn-GaNInGaNLED的应用范围的应用范围n室内照明n室外景观照明n交通显示及路灯照明n车用照明n室外大屏幕显示n显示用背光源n家电及消费电子产品的显示LED应用优势应用优势n体积小体积小nLED芯片

2、一般面积很小（小尺寸300um300um，大尺寸1 mm1 mm，可以灵活应用于各个领域n高效节能高效节能nLED发光效率已到达80-120lm/W，已经超过了节能灯，是白炽灯12lm/W的八倍，同等照明效果可节能85%。n使用寿命长使用寿命长n在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命(光衰减到70%)可达10万小时n响应时间短响应时间短n适合频繁开关及高频运作场合n光线质量好光线质量好n光谱中没有紫外线和红外线，不会对人眼产生伤害，属于典型的绿色照明光源n显色性好、颜色多样显色性好、颜色多样nLED颜色多样，颜色纯正，且LED白光显色性很好，显色指数达到80，能更好地演绎被照物的真实本色n环保

3、环保nLED是由无毒的材料作成，同时也可以回收再利用n坚固耐用坚固耐用nLED芯片被封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固，使得LED不易损坏 LED分类分类LED发展史发展史n1962年,GE用气相外延(VPE)制成发出红光的的GaAsP半导体化合物n1968年,LED的研发取得突破性进展,利用氮掺杂工艺，发光效率达到1lm/W, 获得红光、橙光和黄光LEDn1971年，业界推出相同效率的GaP绿色LEDn80年代早期重大技术突破开发了AlGaAs 红光LED，发光效率达到10lm/Wn1990年，美国HP和日本东芝成功研制InGaAlP LEDn1993年，日本日亚公司的中村修二以G

4、aN基材料研制成功蓝色LEDn20世纪90年代后期，研制成蓝光激发YAG的白光LEDn2000年以后，LED器件进入照明功率器件阶段n2008年12月，CREE LED效率达到161lm/WnLED节能灯发展像计算机一样，遵守摩尔定律，每18个月亮度翻一番GaN LED结构示意图结构示意图LED制作简图制作简图EPIWaferDieMesa-CBL-TCL-PAD-PVScribing/Breaking-Testing-SortingGrowth-DopingLED工作原理简介工作原理简介 n发光二极管是在发光二极管是在P-NP-N结区注入少数载流子而辐射复合发结区注入少数载流子而辐射复合发光

5、的一种半导体光电器件光的一种半导体光电器件nLEDLED由直接带隙半导体材料构成由直接带隙半导体材料构成n发光颜色取决于电子与空穴复合释放出来的光子能量，发光颜色取决于电子与空穴复合释放出来的光子能量，主要由半导体材料的禁带宽度，量子效应，应力，压电主要由半导体材料的禁带宽度，量子效应，应力，压电极化效应等特性决定极化效应等特性决定 nLED有源区材料的禁带宽度有源区材料的禁带宽度g是其发光是其发光峰值波长峰值波长最主要的决定因素最主要的决定因素n即1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）n若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63

6、eV之间LED电学特性电学特性 nLED是以p-n结为基础的。因此它具有一般p-n结的电学特性，即正向导通，反向截止，击穿特性 在正向偏压小于某一阈值（开启电压）时，电流极小，不发光。当超过开启电压后，正向电流随正偏压增大而迅速增大，同时发光。 在反向偏压小于某一阈值（反向击穿电压）是，电流极小，当超过击穿电压后，反向电流随反偏压增大而迅速增大，在反向偏压下，不发光I-V曲线p、n型半导体及空间电荷区型半导体及空间电荷区n对于p型半导体，空穴是多子（受主掺杂），而电子是少子（本征热激发）n对于n型半导体，电子是多子（施主掺杂），而空穴是少子（本征热激发）n在 p型半导体中有大量带正电荷的空穴和

7、带负电荷的电离杂质。空穴是可迁移的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。同理，n型半导体中有大量可迁移的负电子和固定的带正电荷的电离杂质。n当p型和n型半导体接触时，由于存在浓度差，界面附近空穴从p型半导体向n型半导体扩散，电子从n型半导体向p型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合。结区界面附近的杂质离子形成空间电荷区 ，从而在节区建立内电场。无外加偏压无外加偏压n节区两侧载流子浓度差节区两侧载流子浓度差 n多子的扩散n杂质离子形成空间电荷区n空间电荷区形成内电场n促使少子漂移 阻止多子扩散n动态平衡时： 多子的扩散速率=少子的漂移速率， 扩散电流=漂移电流施加正向偏压施加正向偏压pn节加正向偏压：

8、p区电势高于n区np区和n区多子都向界面区运动，使得空间电荷区变窄np区和n区多子向界面扩散过程中，所遇到阻挡势垒变小n多子形成的扩散电流增加，而少子形成的漂移电流减少n有电流从p区流向n区LED的辐射复合的辐射复合n在正向偏压作用下，p区的空穴和n区的电子相对扩散运动，构成少数载流子的注入，从而 在pn结附近发生导带电子和价带空穴的复合n考虑到LED是由直接带隙材料构成，电子-空穴对会发生辐射复合和非辐射复合过程，辐射复合过程将释放出能量与材料禁带宽度相近的光子施加反向偏压施加反向偏压pn节加反向偏压：n区电势高于p区np区和n区多子都远离界面区运动，使得空间电荷区变宽np区和n区多子向界面

9、扩散过程中，所遇到阻挡势垒变大n多子形成的扩散电流减小趋于零，而少子形成的漂移电流处于支配地位n有微小电流从n区流入p区由于在一定温度下，本征激发的少子浓度是一定的，故漂移电流是恒定的，基本上与所加的反向偏压无关，这个电流也称为反向饱和电流反向击穿反向击穿n当pn结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为pn结的反向击穿。pn结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿及热击穿。n雪崩击穿和齐纳击穿是可逆的，热击穿是不可逆的n雪崩击穿雪崩击穿：结内电场很强漂移运动的少数载流子动能增大 与结内原子发生直接碰撞产生新的“电子一空穴对” 被强电场加速

10、再去碰撞其他原子，产生链锁反应结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流n雪崩击穿的物理本质是碰撞电离雪崩击穿的物理本质是碰撞电离n齐纳击穿：齐纳击穿：齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的pn结内。由于掺杂浓度很高，pn结很窄很强的结区内电场会强行促使pn结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成“电子一空穴对” 结内载流子数目剧增并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流n齐纳击穿的物理本质是场致电离齐纳击穿的物理本质是场致电离n热击穿：热击穿：pn节功率损耗 pn节温升高本征激发加剧结内载流子数目剧增并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流消耗在pn节上的功

11、率增加，pn节温进一步升高，产生连锁反应功率超出了最大允许值，导致pn节烧毁n热击穿的物理本质是热激发热击穿的物理本质是热激发LED光电转换效率n量子效率量子效率是反映发光二极管光电转化效率的重要参数是反映发光二极管光电转化效率的重要参数量子效率分量子效率分内量子效率内量子效率和和外量子效率外量子效率n外量子效率外量子效率：单位时间内输出二极管外的光子数目：单位时间内输出二极管外的光子数目/注注入的载流子数目入的载流子数目n内量子效率内量子效率：单位时间内半导体的辐射复合产生的光：单位时间内半导体的辐射复合产生的光子数目子数目/注入的载流子数目注入的载流子数目LED发光发光基本特性基本特性58

12、0585590595600605610020406080100120Wavelength Vs. CurrentWavelength Vs. Current12 12 milmil9 9 milmil8 8 milmilWavelength (nm)Current (mA)050100150200250020406080100120Intensity Vs. CurrentIntensity Vs. Current12 12 milmil9 9 milmil8 8 milmilLumen Intensity (mcd)Current (mA)LEDLED 发光强度有极大值发光强度有极大值( (

13、即有光强饱和现象即有光强饱和现象) )LEDLED发光波长随注入电流的发光波长随注入电流的增加增加而红移而红移LED光学特性光学特性 n在光学中，用来描述可见光的物理量有两类：n描述电磁辐射的客观物理量，即辐射度学量(可见光是波长在380780 nm米范围内的电磁辐射) n建立在人眼生理视觉响应基础上的光度学量，是描述可见光对标准人眼的视觉刺激程度的量做为纯物理现像来研究时，应采用辐射度学量系统；而研究与人的视觉有关问题时，采用光度学量系统则更为方便辐射度学量辐射度学量n辐射能辐射能 radiant energy（ ）:以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量称做辐射能。单位为焦耳(J)。n辐射通

14、量辐射通量 radiant flux（ ）：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，即: 是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。单位为瓦特（W)n辐射强度辐射强度 radiant intensity（ ）：在给定方向上单位立体角内，离开点辐射源的辐射通量。即：单位为瓦特每球面度（W/sr ）eedQdteQeeIeedIdn辐出度辐出度 radiant exitance ( )：辐射源单位发射面积发出的辐射通量，即：单位为瓦特每平方米（W/m2 ）。n辐照度辐照度 Irradiance （ ）辐射照射面单位受照面积上接受的辐通量，即： 单位为瓦特每平方米（W/m2 ）。eedMdSeMee

15、dEdSeEn辐亮度辐亮度 Radiance （ ）辐射面在垂直于 方向上单位投影面积在单位立体角内发出的辐通量，（ 为偏离辐射面元法线方向的角度）即：单位为瓦特每平方米球面度（W/m2 .sr ）。表征具有有限尺寸辐射源辐射通量的空间分布eLcoseedLdSdn光通量光通量 luminous flux ( ) 标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量，单位为流明(lm)n光量光量 luminance energy（ ）光通量和光照时间的乘积，即： 单位为流明秒（lms)n发光强度发光强度 luminance intensity （ ）点光源在单位立体角内发出的光通量 ，即：单位为坎德拉(cd)光

16、度学量光度学量vvQ( )vvQt dtvvdIdvI1979年第十六届国际计量大会对发光强度的单位坎德拉作了明确的规定：“一个光源发出频率为5401012HZ 的单色光，在一定方向的辐射强度为1/683 W/sr，则此光源在该方向上的发光强度为1cd发光强度是光学基本量，是国际单位制中七个基本量之一。从发光强度的单位cd可以导出光通量的单位lm：发光强度为1cd的匀强点光源，在单位立体角内发出的光通量为1lm。n光出射度光出射度 luminous exitance （ ）光源单位发光面积发出的光通量，即：单位为流明每平方米（lm/m2）。n光照度光照度 illuminance （ ）受照物体

17、单位受照面积接受的光通量，即： 单位为勒克斯(lx)。 vvdMdSvMvEvvdEdSn光亮度光亮度 luminance （ ）发光面在垂直于 方向上单位投影面积在单位立体角内发出的光通量，（ 为偏离发光面元法线方向的角度）即：单位为坎德拉每平方米（cd/m2 ）表征有限尺寸的发光体发出的可见光的空间分布情况 coscosvvvdILdSddSvL光度学量和辐射度学量间的关系光度学量和辐射度学量间的关系n就其实质而言，人眼就是一种可见光探测器，其输入为用辐射度学量度量的可见光辐射，而输出为用光度学量表示的光感受。所以，光度学量和辐射度学量间的关系取决于人的视觉特性n具有相同辐通量而波长不同的

18、可见光分别作用于人眼，人所感受的明亮程度将有所不同，这表明人的视觉对不同波长光有不同的灵敏度。人对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数，称之为光谱光效率函数。n实验表明，观察场明暗不同时，光谱光效率函数亦稍有不同。国际照明委员会（CIE）根据多组测试实验结果，分别于1924年和1951年确定并正式推荐两种光谱光效率函数：明视觉光谱光效率函数 和暗视觉光谱光效率函数 。 的峰值在555 nm处；而 的峰值是在507 nm处。 ( )V( )V( )V( )V明视觉条件下：( )( )( )vmedK Vd 暗视觉条件下：( )( )( )vmedK Vd 其中， 为明视觉条件下波长 、 单色光的绝

19、对光谱光效率值； 为暗视觉条件下波长 、 单色光的绝对光谱光效率值。 683/mKlm W555nm( )1V1755/mKlm W507nm( )1V LED光谱特性光谱特性n光谱能量分布和峰值波长光谱能量分布和峰值波长：LED发光光谱并非由单一波长构成，其分布大体如图所示，纵轴为辐射功率。n峰值波长p (Peak-emission Wavelength): 光谱辐射功率最大值所对应的波长值n光谱半波宽(Full Width Half Maximum FWHM)峰值波长的辐射功率的值1/2处所对应的两波长的间隔. 空间光强分布特性空间光强分布特性n半值角1/2：1/2是指发光强度值为轴向强度

20、值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角n视角：半值角1/2的2倍法向坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）n研究表明人对颜色有三种心理特性，分别研究表明人对颜色有三种心理特性，分别可以用色相、色度、明度来描述可以用色相、色度、明度来描述n色相色相(Hue)：表示颜色相互区分的属性。可见光谱中不同波长的光辐射在视觉上表现为不同的色调。n色度色度(Saturation)：指颜色的纯度。可见光谱中各单色光的饱和度最高。n明度明度(Brightness)：明度是人眼感觉到颜色的明亮程度。 LED色度特性色度特性颜色的表示-色度图n颜色感觉是由于光辐射源的或被物体反射的颜色感觉是由于光辐射源

21、的或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，关于颜色光辐射作用于人眼的结果。因此，关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果，但的测量和标准应该符合人眼的观测结果，但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有差异或少会有差异n为能够量化表示颜色，需建立一套色度系统为能够量化表示颜色，需建立一套色度系统n选取标准三原色；n建立匹配等能白光的三原色单位量；n标准色度观测者三刺激分布函数，以此代表人眼的平均颜色视觉特性nCIE1931CIE1931年在年在RGBRGB系统的基础上采用设想的三系统的基础上采用设想的三原色（原色（X X），（），（Y Y），（

22、），（Z Z）分别代表红色，）分别代表红色，绿色和蓝色，建立了绿色和蓝色，建立了CIE-1931CIE-1931色度图，色度图，780380780380780380( )( )( )mememeXKx dYKy dZKz d 三刺激值：三刺激值：为三刺激值分布函数为三刺激值分布函数,xyz色坐标：色坐标：n如果已知任一颜色的光功率分布，可知该颜色的三刺激值和如果已知任一颜色的光功率分布，可知该颜色的三刺激值和色品坐标；色品坐标；n实现了颜色的量化表示，从而建立对颜色评价的客观标准；实现了颜色的量化表示，从而建立对颜色评价的客观标准；n主波长d (Dominating Wavelength) 光

23、源的色度坐标与等能白点连接的延长线在马蹄形单色谱线上的交点.n等能白点等能白点（ WE=0.3333,0.3333 ）：在整个可见光谱范围内三原色 辐射能相等的假想白光源在色度图上的对应点主波长和色纯度n色纯度色纯度 Purity 色纯度是指样品的颜色同主波长光谱色接近的程度。色纯度是指样品的颜色同主波长光谱色接近的程度。n在在CIE1931 色度图上色度图上色纯度色纯度=等能白点到样品点的距离等能白点到样品点的距离/ 等能白点到主波长点的距离等能白点到主波长点的距离色温色温： n色温色温 Color temperaturen将辐射黑体作为判断辐射光源白色程度的参考。可将辐射黑体作为判断辐射光

24、源白色程度的参考。可用色温概念来描述其色相（用色温概念来描述其色相（Hue）变化。）变化。n辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温色温，单位为开尔文（单位为开尔文（K)。n由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温由于一种颜色可以由多种光谱分布产生，所以色温相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。相同的光源，它们的相对光谱功率分布不一定相同。白光LED色温及等温线图LED的老化的老化 n老化：LED发光会随着长时间工作而出现光强衰减现象。n只有一种加速应

25、力，加速应力与产品寿命的理论关系由加速试验模型描述，可粗略表示为指数关系：其中 分别为起始光通量和经过时间t后的光通量： 为时间常数，J 为通过LED的电流密度，a=106hAcm-2为常数，测得某加速电流下工作的时间和其间的光通量，即可推算该电流下的寿命。t/t0eFF=a/J0tFF，ESDnElectroStatic Discharge即即“静电放电静电放电” -防静电测试防静电测试n防静电测试有两种模式防静电测试有两种模式:机械模式机械模式(MM)和和人体人体模式模式(HBM)n人体模式：当静电施加到被测物体时，串联一个人体模式：当静电施加到被测物体时，串联一个330欧姆的欧姆的电阻施加放电，模拟人与器件接触时的电荷转移，人与物体电阻施加放电，模拟人与器件接触时的电荷转移，人与物体接触通常也在接触通常也在330欧姆，所以叫做人体模式欧姆，所以叫做人体模式n机械模式：将静电直接作用于被测器件上，模拟工具机械直机械模式：将静电直接作用于被测器件上，模拟工具机械直接将静电电荷转移到器件上，所以叫做机械模式接将静电电荷转移到器件上，所以叫做机械模式ESD-MM& ESD-HBM机械模式机械模式(MM)人体模式人体模式(MM)The EndThe EndThanksThanks