【文章內(nèi)容簡介】 45176?！?90176?；蚋?，散射劑的量較大。 、按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。 、按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分 按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的 LED（發(fā)光強(qiáng)度 100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)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）。 LED 的基本原理 目前使用的大部分 燈具 是白熾鎢絲燈或者采取氣體放電，而半導(dǎo)體發(fā)光二極管（ LED） 的發(fā)光原理則與 大部分燈迥然不同。發(fā)光二極管自發(fā)性（ Spontaneous）的發(fā)光是由于電子與空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的。一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，多以 Ⅲ Ⅴ 、 Ⅱ Ⅵ 族化合物半導(dǎo)體為材料。圖 1示出的是 Ⅲ Ⅴ 及 Ⅱ Ⅵ 族元素的帶隙（ Bandgap）與晶格常數(shù)（ Lattice Constant）的關(guān)系。由圖可知，這些材料的發(fā)光范圍由紅光到紫外線，目前紅光的材料主要有 AlGaInP，而藍(lán)綠光及紫外線的主要材料則有 AlGaInN。雖然 Ⅱ Ⅵ 族材料也可以得到紅光和綠光，但是這族材料極為不穩(wěn)定，所以目前使用的發(fā)光材料大部分是 Ⅲ Ⅴ 族。 發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙（ Direct Bandgap）有關(guān)，圖 2(a)是直接帶隙材料，包括 GaNInNAlN、 GaAs、 InP、 InAs及 GaAs等，這些材料的導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)在同一 K空間。所以電子與空穴可以有效地再復(fù)合（ Rebination）而發(fā)光。而圖 2(b)的材料均是間接帶隙（ Indirect Bandgap），其帶隙即導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)不在同一 K 空間，以致電子與空穴復(fù)合時(shí)除了發(fā)光外，還需要聲子（ Phonon）的配合，所以發(fā)光效率 低。目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙的材料。 在直接帶隙材料中，電子與空穴復(fù)合時(shí)，其發(fā)光躍遷（ Radiative Transition）有多種可能性，如圖 3所示。圖 3（ a）是帶間復(fù)合，圖 3(b)是自由激子 (Exciton)相互抵消，圖 3(c)是在能帶勢(shì)能波動(dòng) 區(qū)域低勢(shì)能區(qū)局部束縛激子的再復(fù)合。圖 3(a)及 (b)是一般AlGaInP紅光 LED產(chǎn)生光的原理，而圖 3(c)則是 AlGaInN的藍(lán)光及綠光 LED 產(chǎn)生光的原理。 上述的 “ 復(fù)合 ” 是由于本身內(nèi)部（ Intrinsic）產(chǎn)生的，但是假設(shè)將雜質(zhì)（ Impurity）摻入半導(dǎo)體，則會(huì)在帶隙中產(chǎn)生施主（ Donor）及受主 （ Acceptor）的能級(jí)，因此又可能產(chǎn)生不同的復(fù)合而發(fā)出光如圖 4所示。圖 4(a)是受主與導(dǎo)帶復(fù)合，圖 4(b)是施主與價(jià)帶復(fù)合，圖 4(c)是施主 與受主的再復(fù)合，圖 4(d)是激子再復(fù)合。 當(dāng)電子與空穴復(fù)合而產(chǎn)生光時(shí)，這些光被稱為自發(fā)輻射（ Spontaneous Emission），其光的方向如圖 5(a)所示，是多方向的，這是發(fā)光二極管的發(fā)光特性。但是，如果發(fā)出的光是激發(fā)輻射（ Stimulated）的，如 圖 5(b)所示其方向一致，則此種元件被稱為半導(dǎo)體激光二極管（ LD： Laser Diode）。目前要得到高功率 LED就是要得到非常高的自發(fā)輻射。 圖 6所示為發(fā)光二極管 pn結(jié)（ Junction）的能帶結(jié)構(gòu)， p型半導(dǎo)體是摻雜了受主雜質(zhì)，而 n型則是摻雜了施主雜質(zhì)，將兩種材料放在一起即得到 pn結(jié)。 n型半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子， p型半導(dǎo)體中產(chǎn)生空穴，在其中間產(chǎn)生耗盡層（ Depletion Layer）。當(dāng)正向偏壓 (Forward Bias)加在 pn 結(jié)時(shí)，多余的載流子（ Carrier）會(huì)經(jīng)過 耗盡至而滲透至對(duì)方。圖 6所示的是pn 結(jié)能帶，其中，圖 6(a)表示在平衡狀態(tài)，圖 6(b)表示在正向偏壓時(shí)，圖 6(c)表示在注入高密度電流時(shí)的電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生光的情況，至于不發(fā)光的復(fù)合，則有通過禁帶中央深能級(jí)（ Deep Trap Center）的復(fù)合以及在晶體中產(chǎn)生的熱能損失。 當(dāng)電子與 空穴復(fù)合時(shí)產(chǎn)生不同波長的光，而光波 λ 與能量 E間的關(guān)系是 其中， h是普朗克常數(shù)； c是光速。 所有的發(fā)光元件都需要具有高的內(nèi)部量子效率（ Internal Quantum Efficiency），即產(chǎn)生的光子（ Photon）與進(jìn)入 pn 結(jié)內(nèi)的載流子之比，同時(shí)也要有高的外部量子效率（ External Quantum Efficiency），即產(chǎn)生的發(fā)光光子數(shù)目與越過 pn結(jié)的載流子數(shù)目之比，外部量子效率比內(nèi)部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面輻射之前被吸收，而且光到達(dá)表面時(shí)只有低于臨界角（ Critical Angle）的光才能輻射。 要得到高的內(nèi)部量子效率，一部分與結(jié)構(gòu)有關(guān)，簡單的 pn 結(jié)用同質(zhì)結(jié)構(gòu)（ HomoStructure）不易得到高效率，因?yàn)?pn結(jié)材料間折射率之差低，光 的閾值也低，其結(jié)果如圖 7(a)所示。用圖 7(b)所示的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)（ DH： DoubleHetero Structure），可以提高效率。在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中， pn結(jié)材料與中間活性層（ Active Region）的材料不同，帶隙較高，可以得到較高的折射率之差，所輻射的光不但強(qiáng)而且半高寬較窄，如圖 7(b)所示，所以此種結(jié)構(gòu)已完全取代同質(zhì)結(jié)構(gòu)。 目前， LED的活性層也采用了半導(dǎo)體激光器所用的量子 阱 (Quantum Well)結(jié)構(gòu)，圖 8所示是量子阱能帶圖。當(dāng)活性層的厚度減小到與德布羅意（ de Broglie）波長相近時(shí)，量子力學(xué)現(xiàn)象出現(xiàn)，這些薄的活性層就是量子阱，量子阱的數(shù)目可以是一個(gè)到數(shù)十個(gè)，量子阱的帶隙是不連續(xù)的 （ Discrete），也是分離的。用量子阱可以得到小的臨界電流（ Threshold Current），同時(shí)量子阱的材料可以改變晶格不匹配以產(chǎn)生壓縮性或者伸張性應(yīng)變（ Strain），這些應(yīng)變可以改變波長并減少臨界電流。 用 AlGaAs及 AlGaInP均可得到紅光，用 AlGaInN可以得到藍(lán)光、綠光及紫外線，一般都用 MOCVD(Metalanic Chemical Vapor Deposition)法或 OMVPE（ Organic Metal Vapor Phase Epitaxial）法生長 AlGaInP及 AlGaInN材料，用不同量子阱材料得到不同顏色的 LED。圖 9(a)所示是一些例子，例如用 AlGaAs 得到 649nm紅光，用 AlGaInP得到 594nm的琥珀色光，用 AlGaInN得到 517nm的綠光及 465nm與 427nm的藍(lán)光等。這些 LED的 IV（電流 電壓）特性示于圖 9(b)。由圖可見， AlGaAs DH LED 及 AlGaInP DH LED 的 IV特性相近，效率 r=2 表示電流主要是用作發(fā)光的再復(fù)合， AlGaInN DH LED 則不同，低電流主要是隧道（ Tunnelling）電流，但是 AlGaInN SQW（單量子阱）低電流時(shí) r=2，高電 流時(shí)有高電阻。圖 10所示是可見光 LED的發(fā)展史，自 1970年左右開始紅光 LED的光功率不斷上升，但是藍(lán)光 LED的特性到 1992年后才 突飛猛進(jìn)。 LED 指標(biāo) 、 LED的電學(xué)指標(biāo) 、 LED 的電流 電壓特性圖 下 圖所示為 LED工作的電流 電壓（ IV）特性圖。發(fā)光二極管具有與一般半導(dǎo)體三極管相似 的輸入伏安特性曲線。我們分別對(duì)圖中 所示的各段進(jìn)行說明。 LED工作的電流 電壓特性圖 OA段：正向死區(qū) VA為開啟 LED發(fā)光的電壓。紅色（黃色） LED的開啟電壓一般為 ~,綠色（藍(lán)色） LED的開啟電壓一般為 ~。 AB段：工作區(qū) 在這一區(qū)段，一般是隨著電壓增加電流也跟著增加，發(fā) 光亮度也跟著增大。但在這個(gè)區(qū)段內(nèi)要特別注意，如果不加任何保護(hù)，當(dāng)正向電壓增加到一定值后，那么發(fā)光二極管的正向電壓會(huì)減小，而正向電流會(huì)加大。如果沒有保護(hù)電路，會(huì)因電流增大而燒壞發(fā)光二極管。 OC段：反向死區(qū) 發(fā)光二極管加反向電壓是不發(fā)光的（不工作），但有反向電流。這個(gè)反向電流通常很小，一般在幾 μA 之內(nèi)。在 1990~1995年，反向電流定為 10μA ， 1995~2020年為 5μA ；目前一般是在 3μA 以下，但基本上是 0μA 。 CD段：反向擊穿區(qū) 發(fā)光二極管的反向電壓一般不要超過 10V，最大不得超過 15V。超 過這個(gè)電壓，就會(huì)出現(xiàn)反向擊穿，導(dǎo)致 LED報(bào)廢。 、 LED 的電學(xué)指標(biāo) ： 正向電壓 VF： LED正向電流在 20mA時(shí)的正向電壓。 正向電流 IF： 對(duì)于小功率 LED，目前全世界一致定為 20mA，這是小功率 LED的正常工作電流。但目前出現(xiàn)了大功率 LED的芯片，所以 IF就要根據(jù)芯片的規(guī)格來確定正向工作電流。 反向漏電流 IR： 按 LED以前的常規(guī)規(guī)定，指反向電壓在 5V時(shí)的反向漏電流。如上面所說，隨著發(fā)光二極管性能的提高，反向漏電流會(huì)越來越小，但大功率 LED芯片尚未明確規(guī)定。 工作時(shí)的耗散功率 PD： 即正 向電流乘以正向電壓。 、 LED 的極限參數(shù) 最大允許耗散功率 Pmax=IFHVFH ： 一般按環(huán)境溫度為 25℃ 時(shí)的額定功率。當(dāng)環(huán)境溫度升高，則 LED 的最大允許耗散功率將會(huì)下降。 最大允許工作電流 IFM： 由最大允許耗散功率來確定。參考一般的技術(shù)手冊(cè)中給出的工作電流范圍，最好在使用時(shí)不要用到最大工作電流。要根據(jù)散熱條件來確定，一般只用到最大電流 IFM的 60%為好。最大允許正向脈沖電流 IFP： 一般是由占空比與脈沖重復(fù)頻率來確定。 LED工作于脈沖狀態(tài)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)脈寬來實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，例如 LED顯示屏就是 利用這個(gè)手段來調(diào)節(jié)亮度的。 反向擊穿電壓 VR： 一般要求反向電流為指定值的情況下可測(cè)試反向電壓 VR，反向電流一般為 5~100μA 之間。反向擊穿電壓通常不能超過 20V，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，一定要確定加到 LED的反向電壓不要超過 20V。 、 電 光轉(zhuǎn)換效率 電 光轉(zhuǎn)換效率包括 以下兩種 ： ? 光功率效率 η ： ? 流明效率 : 輻射過程的能量損失 電 光轉(zhuǎn)換效率對(duì) LED 的產(chǎn)品性能有很大影響，并且在發(fā)光過程中伴隨有能量損失，同樣影響 LED的發(fā)光效果。在 LED的 pn結(jié)上加上 IFVF 電能后，可以轉(zhuǎn)變成光功率輻射出來，在輻射光的過程中產(chǎn)生能量損失的原因有以下幾種： 正向電壓 VF下，載流子（電子 空穴）在 pn 結(jié)中復(fù)合發(fā)射出光子，會(huì)造成能量損失。由于 pn結(jié)中有雜質(zhì)、晶格缺陷等因素，每個(gè)電子渡越 pn結(jié)與空穴復(fù)合時(shí)，并不是都能激發(fā)產(chǎn)生出一個(gè)光子，即內(nèi)量子效率不可能達(dá)到 100%。 每個(gè)電子渡越 pn 結(jié)耗能一定大于發(fā)射那個(gè)光子所具有的能量。 以上 兩 種原因使 pn結(jié)發(fā)射出的光子總能量小于加在 pn結(jié)上的電能（即 IFVF ），減少部分的能量變成 pn結(jié)熱能而產(chǎn)生溫升。 封裝時(shí)的能量損失 封裝 LED時(shí)，由 LED芯片的折射率（一般折射率 ~3）與封裝膠的折射率不同（一般封裝膠的折射率 為 ），而封裝膠的折射率與空氣折射 率也不同（空氣折射率一般為 1），所以不可能所有的光子都能輻射到空氣中，即外量子效率也不可能達(dá)到 100%。 LED芯片發(fā)出的光遇到其他介質(zhì)的交界面時(shí)會(huì)發(fā)生光反射現(xiàn)象，并被 LED芯片吸收，這部分被吸收的光子能量轉(zhuǎn)化為芯片熱量并產(chǎn)生溫升。當(dāng)光線入射角大于全反射角時(shí)，則光線100%被反射。 激發(fā)過程的能量損失 對(duì)于白光 LED，由于用藍(lán)光激發(fā)黃色 YAG 熒光粉，因此其激發(fā)過程中也存在能量損失 .藍(lán)光對(duì)黃色 YAG 熒光粉并非 100%激發(fā)，這與黃色 YAG熒光粉的顆粒大小和均 勻度有關(guān)系。減少了光子數(shù)將造成能量損失。藍(lán)色光子的能量大于激發(fā)出黃色光子能量，藍(lán)色光子轉(zhuǎn)換成黃色光子輻射出來，同樣也造成了能量損失。溫度升高，藍(lán)光太強(qiáng)，非輻射現(xiàn)象增加，藍(lán)光轉(zhuǎn)換成黃光的效率下降。 、 LED 的其他電學(xué)參數(shù) 在 高頻電路中使用 LED時(shí)，還要考慮以下兩個(gè)因素 ： 結(jié)電容 Cj 響應(yīng)時(shí)間： 上升時(shí)間 tr，下降時(shí)間 t f 當(dāng) LED接在高頻電路中使用時(shí)，要考慮到結(jié)電容和上升、下降時(shí)間，否則 LED無法正常工作。 、 LED的光學(xué)指標(biāo) 人眼對(duì)自然界光的感知有兩個(gè)方面：一是光的顏色，二是光 的輻射強(qiáng)度。我們將從這兩方面展開討論，進(jìn)而分析 LED的各種光學(xué)指標(biāo)。 光的顏色的三種表示法 ： 國際照明委員會(huì)色品圖表示法 光的顏色鮮艷度 色溫或相關(guān)色溫 下面將逐一對(duì)其進(jìn)行介紹。 、 國際照明委員會(huì)色品圖表示法 ： 國際照明委員會(huì)（ CIE）于 1931年研究提出了 XYZ色品圖， 1960年又在 XYZ色品圖的基礎(chǔ)上提出了 UCS 色品圖。顏色感覺是光輻射源或被物體反射的光輻射作用于人眼的結(jié)果。因此，顏色不僅取決于光刺激，而且取決于人眼的視覺特性。關(guān)于顏色的測(cè)理和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該符合人眼的觀測(cè)結(jié)果。但 是