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      1. LED發光二極管結構、發光原理

        發布時間:2018-08-20

        一、LED發光二極管結構、發光原理

        LED(Light Emitting Diode),發光二極管,是一種固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。

        LED的核心部分是由P型半導體(一種在硅或鍺等半導體材料中加入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價元素的晶片)和N型半導體(一種在在硅或鍺等半導體材料中加入微量的磷、銻、砷等五價元素的晶片)組成的晶片(兩種半導體緊緊粘貼在一起),在p型半導體和n型半導體之間的過渡層,稱為p-n結。

        在P型半導體中,空穴(晶體原子之間共價鍵上的價電子脫離后而形成的空洞。帶正電)叫多數載流子(導體或半導體的導電作用是通過帶電粒子的運動(形成電流)來實現的,這種電流的載體稱為載流子),電子(帶負電)叫少數載流子。而在N型半導體中,空穴(帶正電)叫少數載流子,電子(帶負電)叫多數載流子。加電后,在P型半導體和N型半導體的交界面就會出現一個具有特殊導電性能的薄層,也就是常說的PN結(PNJunctionTransistors)。PN結可以對P型半導體和N型半導體中多數載流子的擴散運動產生阻力,當對PN結施加正向電壓時,電流從LED的陽極流向陰極,PN結中少數載流子與多數載流子進行復合,多余的能量就會以光子的形式釋放出來,也就是我們所看到的光。從而把電能直接轉換為光能。而在PN結加反向電壓,少數載流子難以注入,故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管,通稱LED。 當它處于正向工作狀態時(即兩端加上正向電壓),電流從LED陽極流向陰極時,半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的波長也就是光的顏色,是由形成P-N結的材料決定的。光的強弱與電流有關。

        通過對其中發光材料的研究,人們逐漸開發出各種光色、光效率越來越高的LED元件。通常晶片附在一個支架上,一端是負極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環氧樹脂封裝起來,所以能起到保護內部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。

        二、LED發光顏色

        普通單色發光二極管的發光顏色與發光的波長有關,而發光的波長又取決于制造發光二極管所用的半導體材料。

        光,—般是指可見光,可見光光譜的波長范圍為380nm~760nm(說明:可見光的波長范圍占電磁波的波長范圍一少部分,可以認為光是一種電磁波,但光又有區別于一般電磁波的特性,所以光具有波粒二象性,即光既具有波的特性,如干涉、衍生等現象;同時又具有一般粒子束的特性。

        可見光透過三棱鏡可以呈現出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色組成的光帶,這光帶依次排列的圖案稱為光譜。其中紅光波長最長,紫光波長最短,其它各色光的波長則依次介于其間??梢姽獾墓庾V中是沒有白色光的,因為白光不是單色光,而是由多種單色光合成的復合光,正如太陽光是由七種單色光合成的白色光,而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。

        紅640—780nm

        橙640—610

        黃610—530

        綠505—525

        藍505—470

        紫470—380

        紅外線:在可見光紅色光以外(>0.76微米)的人眼感覺不到的光線,紅外線(近紅外線,波長為0.75~1.50μm之間;中紅外線,波長為1.50~6.0μm之間;遠紅外線,波長為6.0~l000μm 之間。)和無線電波;波長短于紫色光的(<0.4微米)有紫外線。

        紫外線:在可見光紫色光以外的人眼感覺不到的光線,紫外線是電磁波譜中波長從0.01—0.40微米(可見光紫端到X射線間)輻射的總稱。

        短波紫外線:簡稱UVC。是波長200NM-280NM的紫外光線。短波紫外線在經過地球表面同溫層時被臭氧層吸收。不能達到地球表面,對人體產生重要作用(如:皮膚癌患者增加)。因此,對短波紫外線應引起足夠的重視。(致癌)

        中波紫外線:簡稱UVB。是波長280NM-320NM的紫外線。中波紫外線對人體皮膚有一定的生理作用。此類紫外線的極大部分被皮膚表皮所吸收,不能在滲入皮膚內部。但由于其階能較高,對皮膚可產生強烈的光損傷,被照射部位真皮血管擴張,皮膚可出現紅腫、水泡等癥狀。長久照射皮膚會出現紅斑、炎癥、皮膚老化,嚴重者可引起皮膚癌。中波紫外線又被稱作紫外線的曬傷(紅)段,是應重點預防的紫外線波段。(曬傷)

        長波紫外線:簡稱UVA。是波長320NM-400NM的紫外線。長波紫外線對衣物和人體皮膚的穿透性遠比中波紫外線要強,可達到真皮深處,并可對表皮部位的黑色素起作用,從而引起皮膚黑色素沉著,使皮膚變黑,起到了防御紫外線,保護皮膚的作用。因而長波紫外線也被稱做“曬黑段”。長波紫外線雖不會引起皮膚急性炎癥,但對皮膚的作用緩慢,可長期積累,是導致皮膚老化和嚴重損害的原因之一。(曬黑、老化)

        三、LED發光應用

        紫外光led:

        就是放出的光在紫外線的頻率范圍里的led,可用于驗鈔機上是紫外線燈,LED材料的帶隙越寬,其發光波長越短。氮化鎵鋁和氮化鋁LED可發出紫外光。他看起來是淡藍的,是因為它除了發出紫外線外還發出少量藍光和紫光,真正對驗鈔有用的是他發出的紫外線,不是我們看到的普通紫光與藍光。紫外線我們是看不到的。

        白光LED:

        因為白光并非單色光(目前LED不能直接產生白色的光)所以人眼睛所能見的白光,至少需兩種光的混合,白光LED的工藝結構和白色光源。 對于一般照明,在工藝結構上,白光LED通常采用兩種方法形成,第一種是利用“藍光技術”與熒光粉配合形成白光;第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產生白光器件。第一種方法在1998年白光的LED開發成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成。GaN芯片發藍光(λp=465nm,Wd=30nm),高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光射,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。 LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收,另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合,可以得到得白光?,F在,對于InGaN/YAG白色LED,通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度,可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法,構造簡單、成本低廉、技術成熟度高,因此運用最多。第二種方法采用不同色光的芯片封裝在一起,通過各色光混合而產生白光。

        全彩LED:

        通常LED實現各種顏色是通過混色實現的,例如LED全彩顯示屏將紅色、綠色、藍色三個發光二極管按一定規則排列,利用紅、綠、籃三基色原理,在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合,即可產生256×256×256=16777216種顏色,形成不同光色的組合變化多端,實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。

        另外也有單個LED內封裝集成三種發光LED芯片(紅色、綠色、藍色),并且按一定的規則排列,有多個引線,從而實現單個LED全彩,通過混色調節可以產生各種顏色及白光,這種LED通常稱為變色發光二極管,變色發光二極管是能變換發光顏色的發光二極管。變色發光二極管發光顏色種類可分為雙色發光二極管、三色發光二極管和多色(有紅、藍、綠、白四種顏色)發光二極管。

        變色發光二極管按引腳數量可分為二端變色發光二極管、三端變色發光二極管、四端變色發光二極管和六端變色發光二極管。

        特殊LED:

        根據應用的需要某些LED當改變電流可以實現變色,通過化學修飾方法,調整材料的能帶結構和帶隙,實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的LED,隨著電流的增加,可以依次變為橙色,黃色,最后為綠色。

        四、LED節能效率對比

        白熾燈和鹵鎢燈,其光效為12~24流明/瓦;

        熒光燈和HID燈的光效為50~120流明/瓦;

        白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已達到15流明/瓦,這一指標與一般家用白熾燈相近,而在2000年時,白光LED的光效已達25流明/瓦,這一指標與鹵鎢燈相近。2009-05 Cree公司該款冷白光LED總光通量達139 lm,在350mA電流輸入下,發光效率達132 lm/瓦,在1A電流輸入下,發光效率達345 lm/瓦,芯片尺寸為3.45x3.45mm,業界普遍認為LED照明如要切入室內照明主燈源市場,在技術部分,必須要能以150 lm/W量產品為目標。

        普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜,但光效低(燈的熱效應白白耗電),壽命短,維護工作量大,但若用白光LED作照明,不僅光效高,而且壽命長(連續工作時間10000小時以上),幾乎無需維護、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時間短、對環境無污染、多色發光等的優點。

        五、LED特點說明:

        高節能:

        LED直流驅動,超低功耗(單管0.03-0.06 瓦)電光功率轉換接近100%,相同照明效果比傳統光源節能80%以上。

        壽命長:LED光源有人稱它為長壽燈,意為永不熄滅的燈。固體冷光源,環氧樹脂封裝,燈體內也沒有松動的部分,不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點,使用壽命可達6萬到10萬小時,比傳統光源壽命長10倍以上。

        利環保:環保效益更佳,光譜中沒有紫外線和紅外線,既沒有熱量,也沒有輻射,眩光小,而且廢棄物可回收,沒有污染不含汞元素,冷光源,可以安全觸摸,屬于典型的綠色照明光源。

        高新尖:與傳統光源單調的發光效果相比,LED光源是低壓微電子產品,成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等所以亦是數字信息化產品是半導體光電器件“高新尖”技術具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點

        體積小

        LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂里面,所以它非常的小,非常的輕。

        光線健康

        LED照明燈不具有紫外線和紅外線屬于冷光源,汞燈是利用電能轉化為熱能所以有紫外線和紅外 一定程度影響身體。

        堅固耐用

        LED是被完全的封裝在環氧樹脂里面,它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內也沒有松動的部分,這些特點使得LED可以說是不易損壞的。

        LED的內在特征決定了它是最理想的光源去代替傳統的光源,它有著廣泛的用途,??梢灶A見不久的將來,白光LED定會進入家庭取代現有的照明燈。

        六、LED的分類

        1. 按發光管發光顏色分

        按發光管發光顏色分,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,有的發光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

        根據發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。散射型發光二極管和達于做指示燈用。

        2. 按發光管出光面特征分

        按發光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發光管、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)。

        由半值角大小可以估計圓形發光強度角分布情況。

        從發光強度角分布圖來分有三類:

        (1)高指向性。一般為尖頭環氧封裝,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,或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。

        (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。

        3. 按發光二極管的結構分

        按發光二極管的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

        4. 按發光強度和工作電流分

        按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發光強度100mcd);把發光強度在10~100mcd間的叫高亮度發光二極管。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。


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