发光二极管技术简介

1.发光二极管的基本原理

发光二极管(Light Emitting Diode)是一种将电能转换为光能的半导体固体发光器件,是利用半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压时,半导体中的载流子发生辐射复合而发光。LED的基本结构是将一块可以电致发光的半导体材料置于一个有引线的架子上,四周用环氧树脂密封以起到保护内部芯线的作用,使LED具有比较好的抗震性,如图3.1.1所示。

LED的核心是PN结,它具有一般PN结的I-V特性,即正向导通和反向截止、击穿特性。在正向偏压下,N区的多数载流子(多子)电子注入P区成为P区少数载流子(少子);同时,P区的多子空穴注入N区成为少子,进入对方区域的少子一部分与该区域的多子复合发光,这就是LED最基本的原理,如图3.1.2所示。

图3.1.2　LED原理图

LED的半导体材料一般选用直接带隙材料,这是由于间接带隙半导体中的电子在跃迁时K值会发生变化,复合释放的能量很大概率会传递给晶格,转变成热能被释放掉。而直接带隙中的电子跃迁前后只有能量变化,却无动量变化,便有更大的概率将能量以光子的形式释放出来,如图3.1.3所示。因此,一般直接带隙半导体比间接半导体发光效率高很多。

图3.1.3　直接带隙和间接带隙半导体的跃迁示意图

2.发光二极管的主要性能参数

(1)主要电学参数。LED的核心结构是PN结,必然具有PN结的电学特性,结的好坏直接决定LED的性能。在LED制作过程中,光学参数测定之前,一般首先要测量其电学性能,主要是其电流(I)-电压(V)特性、正向电流、正向工作电压、反向电流、耗散功率和响应时间。

图3.1.4　LED的I-V特性曲线

①I-V特性:I-V特性是LED性能的主要参数,具有非线性、单向导电性质,其特性图如图3.1.4所示,可分为几个区域,分别是正向死区,正向工作区,反向死区和反向击穿区。当正向电压小于a点电压时,LED不发光,因此Oa段被称为正向死区;在ab段,电流随着电压的增大呈指数上升,LED发光强度也相应增大,正向电压的细小变动将引起电流和发光强度很大的变化,因此,在LED工作时应控制输入电压,使其保持稳定;发光二极管加反向电压不发光,但存在反向漏电流,一般在微安量级;当反向电压过大时,反向电流急剧增加,发生击穿,会损坏LED器件。

②正向电流:LED的正向电流包括正向工作电流(I F)、最小工作电流(I FL)、最大容许正向电流(I FM)、最大容许正向脉冲电流(I FP)。其中,I F是最常用的参数,一般不超过I FM的60%。

③正向工作电压:正向工作电压(V F)是指在一定正向工作电流下的正向压降。V F主要与材料种类、正向工作电流和温度有关。

④反向电流:反向漏电流(I R)是LED处于反向偏置时的漏电流。

⑤耗散功率:耗散功率是指工作时的功率。其值为正向工作电流与正向工作电压的乘积。

⑥响应时间:响应时间是标志LED反应速度的一个重要参数,是指输入和撤去正向电流后LED开始发光和熄灭的时间。LED点亮时间一般是指从接通电源使发光亮度达到正常亮度的10%,到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间;而熄灭时间是指发光亮度从正常值减弱到其10%所经历的时间,如图3.1.5所示。

图3.1.5　LED响应时间示意图(www.xing528.com)

(2)发光强度及其角分布。光源在单位立体角内发射的光通量是发光强度。通常一个光源在各个方向上有着不同的照射强度。由于LED大量应用圆柱、圆球式的封装,在凸透镜的作用下,LED发光一般具有很强的指向性。LED的发光强度通常指法线(对圆柱形发光管指其轴线)方向上的发光强度。当偏离法线方向不同的θ角度时,光强也随之变化。发光强度的角分布I(θ)描述LED发光在空间各个反向上的光强分布,它与LED的封装工艺密切相关。

图3.1.6　LED光强角分布示意图

图3.1.7　LED光谱示意图

(3)发光峰值波长和光谱分布。LED发光强度或光输出功率随着波长的不同而不同,将相对发光强度随发光波长的变化绘制成一条分布曲线,该曲线即为LED的光谱分布曲线,如图3.1.7所示。谱线中每一个峰值对应的波长称为峰值波长,用λp表示。在λp两侧,存在两个光强等于峰值一半的点,这两点之间的宽度叫谱线宽度,也称半高宽度。半高宽反映谱线的宽窄,对于单色光源也是光源单色性的指标。有的LED可能有多个峰值波长,并非单色光。定义LED发出的主要单色光的波长为主波长,光辐射颜色接近主波长光谱色的程度就表示发光色的纯度。

(4)光通量。光通量是人眼所能感觉到的LED向各个方向辐射功率的和。由于人眼对不同波长光的感受能力不同(如图3.1.8所示的相对视敏函数曲线),当不同波长光的辐射功率相等时,其光通量不一定相等。光通量(F)等于某一波段的辐射能量与该波段相对视见率的乘积,光通量的单位为流明(lm)。

图3.1.8　相对视敏函数曲线

(5)发光效率。根据情况不同,LED的发光效率可以分为功率效率和流明效率两种。

功率效率ηP是指LED输出的辐射功率P o与输入的激发功率P i(输入电功率)之比:ηP=P o/P i,是一个无量纲的小于1的常数。因为多数LED用于显示或照明,其功能是用人眼衡量的,但人眼对不同波长的灵敏度不同,如图3.1.8所示的相对视敏函数曲线。因此,即使有相同功率效率的LED,如果LED的光谱不同,人眼所见的亮度也不同。为了表示这种差别,可用流明效率来表示,其计算公式为W=光通量(F)/激发功率(P i),单位是lm/W。

(6)发光亮度。发光亮度是LED发光性能的又一重要参数,某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量,即单位面积发光体在某方向上的发光强度。

3.发光二极管的特点

(1)电压:LED一般使用低压电源,供电电压在6～24 V之间,根据产品不同而异,安全性高,适用于公共场所。

(2)效能:LED是目前光效最高的照明产品,耗电量为同等亮度白炽灯的10%～20%,荧光灯的1/2。

(3)抗震性:LED是固态光源,每个单元很小,形状多变,具有其他光源产品不可比拟的抗震性。

(4)稳定性:10万小时内,光衰较小。

(5)响应时间:白炽灯的响应时间为毫秒量级,而LED的响应时间可达纳秒量级,是目前所有光源中响应最快的产品。

(6)环保:无金属汞等对身体有害的物质。

(7)颜色:LED的带宽较窄,所发光颜色纯,无杂色光,选择合适的发光材料,可以覆盖可见光的全部波段,由红、绿、蓝三基色的组合可配成任意想要的可见光。