LED的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用(圖)
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上傳人：admin 上傳時(shí)間： 2007-08-29 瀏覽次數(shù)： 865 |
1、概述
ＬＥＤ利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，釋放出過剩的能量引起光子發(fā)射而產(chǎn)生可見光。近年來，ＬＥＤ得到了快速發(fā)展，部分產(chǎn)品已進(jìn)入了商用階段，為室內(nèi)外照明光源帶來革命性變化。
２０世紀(jì)６０年代初，人們就已經(jīng)掌握了半導(dǎo)體材料可以產(chǎn)生光線的方法：加正向偏壓的砷化鎵面結(jié)型二極管可作為輻射光源。１９６４年，利用ＧａＡｓＰ材料，研制出紅色發(fā)光二極管（λｐ＝６５０ｎ ｍ），光效為０．１ｌｍ/Ｗ，在驅(qū)動(dòng)電流為２０ｍＡ?xí)r，光通量只有千分之幾流明。
到了上世紀(jì)70年代，研制出綠光（λｐ＝５５０ｎｍ）、黃光（λｐ＝５９０ｎｍ）和橙光（λｐ＝６１０ｎｍ）的ＬＥＤ，光效達(dá)到１ｌｍ/Ｗ。單色ＬＥＤ的蓬勃發(fā)展，使它在大屏幕顯示、交通信號(hào)燈、儀表儀器顯示等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但遺憾的是實(shí)現(xiàn)全色顯示的藍(lán)光還未突破。
上世紀(jì)８０年代初，研制出ＧａＡＩＡｓ的ＬＥＤ，使得紅色ＬＥＤ的光效達(dá)到１０ｌｍ/Ｗ。
１９９４年，開發(fā)出氮化鎵基藍(lán)色和綠色發(fā)光二極管，根據(jù)三基色合成原理，使全色顯示和半導(dǎo)體照明成為可能。對于一般照明而言，人們更需要白色光源。１９９６年，日本日亞公司率先開發(fā)出白色發(fā)光二極管，為ＬＥＤ廣泛進(jìn)入照明領(lǐng)域帶來了無限希望，成為ＬＥＤ照明發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。
經(jīng)過近幾年的發(fā)展，彩色ＬＥＤ的光效等性能已經(jīng)得到進(jìn)一步的提高，使得其在裝飾照明等領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。
目前，白光ＬＥＤ的光效還不高，但發(fā)展很快。據(jù)相關(guān)資料介紹：１９９９年日本研制出光效達(dá)到１５ｌｍ/Ｗ的LED；２００１年美國研制出光效達(dá)到４０～５０ｌｍ/Ｗ的LED，甚至超過了白熾燈和鹵鎢燈，接近熒光燈光效。單個(gè)ＬＥＤ功率也不夠大，僅有１Ｗ多，還不能廣泛用于室內(nèi)外照明，但彩光ＬＥＤ在裝飾照明領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成熟。專家認(rèn)為：白光ＬＥＤ的光效只有達(dá)到５０ｌｍ/Ｗ以上，并且提升單只白光ＬＥＤ的功率，才能真正在照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，白光ＬＥＤ正朝著高光效、高亮度、高功率、高顯色指數(shù)的方向發(fā)展。目前，世界各國主要致力于白光ＬＥＤ的研制和開發(fā)，在不久的將來，白光ＬＥＤ的光效有望達(dá)到１００ｌｍ/Ｗ，甚至提升到２００ｌｍ/Ｗ以上，那時(shí)，ＬＥＤ將在照明光源領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。
2、ＬＥＤ的結(jié)構(gòu)和工作原理
ＬＥＤ主要由ＰＮ結(jié)芯片、電極、光學(xué)系統(tǒng)及附件等組成。ＬＥＤ的發(fā)光體叫晶片，其面積為１０．１２ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝０．０２５４ｍｍ２）。
在潔凈的環(huán)氧樹脂中，封裝半導(dǎo)體晶片。在半導(dǎo)體的ＰＮ結(jié)的Ｐ型端加正電壓，空穴就會(huì)流向Ｎ型端，電子則由Ｎ型端流向Ｐ型端。當(dāng)電子通過晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴區(qū)域，空穴和電子可以直接結(jié)合，在結(jié)合的過程中，能量以光的形式釋放出光子，這就是ＬＥＤ的發(fā)光原理。另外，有些ＬＥＤ中的電子加速后在撞擊、游離化過程中也可釋放出能量而發(fā)光。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子能量就越高。傳統(tǒng)的發(fā)光二極管大多是利用砷化鎵（ＧａＡｓ）、磷化鎵（ＧａＰ）或它們的組合晶體（ＧａＡｓＰ）等ＩＩＩ－Ｖ族的半導(dǎo)體構(gòu)成。
ＬＥＤ的顏色和發(fā)光效率等光學(xué)性能與半導(dǎo)體材料及其加工工藝有關(guān)。在Ｐ型材料和Ｎ型材料中摻入不同的雜質(zhì)，就可以得到不同的單一波長的ＬＥＤ發(fā)光二極管，同時(shí)電氣性能也會(huì)有所不同。根據(jù)光學(xué)原理，白光由連續(xù)光譜組成，因此，不可能制出直接發(fā)出連續(xù)光譜的單只白光ＬＥＤ。在照明領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的是白光，因此，白光ＬＥＤ的研制和技術(shù)進(jìn)步，關(guān)系到ＬＥＤ在照明領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。
單個(gè)ＬＥＤ發(fā)光二極管的光學(xué)系統(tǒng)包括平行發(fā)射器、偏振片、透光罩等。光學(xué)系統(tǒng)可以使ＬＥＤ的光束以平行光或一定的光束角發(fā)射出去。因此，改變封殼圓頂?shù)膸缀涡螤睿涂梢愿淖儯蹋牛牡墓馐恰?/FONT>
白光ＬＥＤ可以由一只ＬＥＤ產(chǎn)生的2種或3種單色光合成，也可以由幾只單色光ＬＥＤ混裝在一起，按三基色合成原理得到白光，如表2所示。目前，商品化白光ＬＥＤ主要有三種發(fā)光方式：
（1）在４６０ｎｍ波長的ＩｎＧａＮ藍(lán)光晶粒上涂一層ＹＡＧ熒光物質(zhì)，利用藍(lán)光ＬＥＤ照射此熒光物質(zhì)，可以產(chǎn)生５５５ｎｍ波長的黃光，再利用透鏡原理把可以互補(bǔ)的藍(lán)光、黃光混合，就可以發(fā)射出白光。但光譜中藍(lán)色光譜較強(qiáng)，缺少紅色光譜，顯色指數(shù)Ｒａ才達(dá)到７０。這是目前應(yīng)用最為廣泛的白光ＬＥＤ制作原理。
（2）經(jīng)紫外芯片激發(fā)ＲＧＢ三基色熒光粉，其發(fā)光機(jī)理與三基色熒光燈相似。改變熒光粉的成分比例，就可以得到各種色溫的白光，顯色性較好。
（3）把ＲＧＢ三基色芯片封裝在一起，改變?nèi)叩陌l(fā)光強(qiáng)度比例，就可以得到任意色溫的白光，但產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。產(chǎn)品性能一致性較差，易受環(huán)境影響。
“圖4、圖5”表示一種白光ＬＥＤ構(gòu)造和發(fā)光示意圖：把ＧａＮ芯片和釔鋁石榴石熒光粉（ＹＡＧ）封裝在一起，藍(lán)光ＬＥＤ基片安裝在碗形的反射腔中，基片上覆蓋著混有ＹＡＧ熒光粉的樹脂薄層。通電后，ＧａＮ芯片發(fā)藍(lán)光（λＰ＝４５６ｎｍ，Ｗｄ＝３０ＮＭ）。一部分藍(lán)光激發(fā)ＹＡＧ熒光粉后發(fā)出黃色光，一部分藍(lán)光與黃色光混合，就得到了白光。對于ＩｎＧａＮ/ＹＡＧ白色ＬＥＤ，通過改變ＹＡＧ熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉的厚度，就能夠得到３５００～１００００Ｋ的各色白光。
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