LED照明基礎2/6/20231LED照明基礎內容簡介LED的發展史LED的現況LED的特性LED在產品設計2/6/20232什么是LEDLED的全稱LightEmittingDiode,即發光二極管，是一種半導體固體發光器件，它是利用固體半導體芯片作為發光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發生復合引起光子發射而產生光。LED可以直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。2/6/20233LED的發展史1907年HenryJosephRound第一次觀察到場致發光現象。1936年GeorgeDestiau第一場使用場致發光這個術語。60年代初，試驗中，LED需要置放在液化氮中第一個商業LED僅僅只能發出不可見的紅外線，但是迅速應用于感光與光電領域。60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發明了第一個可見的紅光LED70年代中，采用雙層磷化稼能夠發出黃色光。70年代末，LED出現綠色光。90年代中，LED最終出現藍色光。90年代末白光的LED開發成功目前LED已經可以發出紫外光。除此以外，LED的光通量也在與日俱增，最新的實驗室數據是186lm/W2/6/20235LED發展計劃2/6/20236LED發展計劃美國LED行業的預測2/6/20237LED優點高光效高節能光源方向性好光色多安全性高環保壽命長光源快速響應燈具結構合理運行成本低

2/6/20239LED優點2/6/202310LED同幾種光源的比較名稱

耗電量（W）工作電壓

（v）協調控制

發熱量

可靠性

使用壽命

（h）金屬鹵素燈

100220不易

極高

低

3000霓虹燈

500較高

高

高

宜室內

3000鎂氖燈

16W/m220較好

較高

較好

6000日光燈

4-100220不易

較高

低

5000-8000冷陰極

15W/m需逆變

較好

較低

較好

10000鎢絲燈

15-200220不宜

高

低

3000節能燈

3-150220不宜調光

低

低

5000LED燈極低

直流12-36V

多種形式

極低

極高

100000LED光源在性能方面遠遠優于其他光源！！！2/6/202311LED分類LED按照發光顏色分類紅光橙光綠光藍光白光紅光橙光綠光藍光統稱為色光，主要應用在指示或裝飾方面白光又可細分為暖白中性白冷白。白光是我們照明行業主要用到的光源。2/6/2023132/6/202314白光LED產生----單芯片InGaN(藍)/YAG熒光粉

這是一種目前較為成熟的產品。這些產品采用芯片倒裝結構,提高發光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進,可將色均勻性提高10倍。實驗證明,電流和溫度的增加使LED光譜有些藍移和紅移,但對熒光光譜影響并不大。壽命實驗結果也較好。InGaN(藍)/紅熒光粉+綠熒光粉色溫可達到3000K-6000K,Ra達到82-87,。InGaN(紫外)/(紅+綠+藍)熒光粉此類白光LED,其Ra大于等于90,但發光效率還不夠理想2/6/202315白光LED產生----單芯片2/6/202317白光LED產生----雙芯片雙芯片可由藍LED+黃LED、藍LED+黃綠LED以及藍綠LED+黃LED制成,此種器件成本比較便宜,但由于是兩種顏色LED形成的白光,顯色性較差,只能在顯色性要求不高的場合使用。

2/6/202318白光LED產生----多芯片(藍色+綠色+紅色)LED這種通過RGB方法合成白光這種方法主要的問題是綠光的轉換效率底，所以總體的效率不高。同時三種顏色的LED的正向電壓和光輸出不同，兩外它們的溫度特性和光維持特性也不相同，因而對電路的要求也比較高。2/6/202319LED常用詞匯總結1.光通量φ：發光體每秒鐘所發出的光量的總和。單位：流明（Lm），表示發光體發光的多少，發光愈多流明數愈大。2.光強I：發光體在特定方向單位立體角內所發射的光通量。單位：坎德拉（cd）。3.照度E：發光體照射在被照物體單位面積上的光通量。單位：勒克斯（Lux）=流明Lm/面積m2。4.亮度L：發光體在特定方向單位立體角單位面積內的光通量。單位：尼脫（mcd）。5.光效：電光源將電能轉化為光的能力，以發出的光通量除以耗電量來表示。單位：每瓦流明（Lm/w）。6.平均壽命：指一批燈至50%的數量損壞時的小時數。單位：小時（h）。2/6/202321LED常用詞匯總結7.經濟壽命：在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時數。室外的光源為70%，室內的光源為80%。8.色溫：光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，色溫在3000k以下有溫暖的感覺，達到穩重的氣氛；色溫在3000k-5000k為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000k以上有冷的感覺。單位：K。9.顯色性：光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽能）照明時顏色的偏離能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現物體本來的顏色需使用顯色指數高的光源。單位：Ra。10.眩光：視野內有亮度極高的物體或強烈的亮度對比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質量的重要因素。2/6/202322LED特性LED的電學特性LED的光學特性LED的熱特性

2/6/202323LED電特性

I-V特性是LED芯片性能主要參數。

I-V特性具有非線性、整流性質：單向導電性，即外加正偏壓表現低接觸電阻，反之為高接觸電阻。（1）正向死區（2）正向工作區（3）反向死區。（4）反向擊穿區2/6/202325LED電特性C-V特性LED的芯片pn結面積大小不一，使其結電容也不一C-V特性呈現二次函數關系是電容與電壓的關系最大允許功耗PFm響應時間是LED點亮與熄滅所延遲的時間。響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。LED點亮時間——指接通電源使發光亮度達到正常的10%開始，一直到發光亮度達到正常值的90%所經歷的時間。LED熄滅時間——指正常發光減弱至原來的10%所經歷的時間。不同材料制得的LED響應時間各不相同2/6/202326LED光特性發光強度是表征發光器件發光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。發光強度的角分布θ是描述LED發光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝，透鏡的材料，透鏡的曲率，芯片周圍的反光杯。2/6/202327LED光特性發光峰值波長及其光譜分布LED的光譜特性參數主要包括峰值發射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。單色LED的光譜為單一波峰，特性以峰值波長和帶寬表示，而白光LED的光譜由多種單色光譜合成。LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示，而由LED的光譜功率分布還可計算得到色度參數。LED發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。2/6/202329LED光特性發光峰值波長及其光譜分布如圖1藍光InGaN/GaN發光譜峰λp=460～465nm2綠光GaP:N發光譜峰λp=550nm3紅光GaP:Zn-O發光譜峰λp=680～700nm4紅外GaAs發光譜峰λp=910nm5Si光敏光電管通常作光電接收用6標準鎢絲燈2/6/202330LED光特性峰值波長：無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。主波長：有的LED發光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。如GaP材料可發出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結溫升高而主波長偏向長波。2/6/202331LED的光學特性——中心波長峰值波長質心波長2/6/202332LED光特性光通量是表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優劣。光通量為LED向各個方向發光的能量之和，它與工作電流直接有關。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。可見光LED的光通量單位為流明（lm）。LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關。2/6/202333總光通量的測量——積分球法積分球法使用積分球將使LED總通量的測量更加簡單。帶有兩個入射孔和一個于探測器的出射孔的積分測量可對待測LED的自吸進行修正。2/6/2023342/6/202335LED光特性發光效率LED效率有兩種

內部效率：pn結附近由電能轉化成光能的效率。內部效率只用來分析和評價芯片優劣的特性

外部效率：輻射到外部的效率。發光效率：輻射出光能量（發光量）與輸入電能之比量子效率η=發射的光子數/pn結載流子數流明效率：LED的光通量/外加耗電功率流明效率是評價具有外封裝LED特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發光效率。理論計算中，最大的流明下來率為628lm/W。同此相比，LED未來的發展前景很廣闊。2/6/202336LED光特性幾種常見色光的效率對比LEDλp材料可見光發光效率（lm/w）外量子效率發光顏色（nm）最高值平均值紅光700GaP:Zn-O2.4121~3660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黃光590GaP:N-N0.450.1

綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15藍光465GaN

10

白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6

大芯片182/6/202337LED光特性品質優良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發出的光盡可能多，即外部效率要高.LED向外發光僅是內部發光的一部分，總的發光效率應為η=ηiηcηe，ηi向為p、n結區少子注入效率ηc為在勢壘區少子與多子復合效率ηe為外部出光（光取出效率）效率。2/6/202338LED光特性由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當芯片發出光在晶體材料與空氣界面時（無環氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。2/6/202339LED光特性如何提高外部出光效率ηe？1.用折射率較高的透明材料覆蓋在芯片表面2.把芯片晶體表面加工成半球形3.用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸收。有人曾經用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。2/6/202340LED光特性發光亮度亮度是LED發光性能又一重要參數，具有很強方向性。其正法線方向的亮度，指定某方向上發光體表面亮度等于發光體表面上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光通量，單位為cd/m2或Nit。LED亮度與外加電流密度有關，電流密度增加發光亮度也近似增大。LED亮度還與環境溫度有關，環境溫度升高，復合效率下降，發光亮度減小。當環境溫度不變，電流增大足以引起pn結結溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態。2/6/202341LED光特性老化：LED發光亮度隨著長時間工作而出現光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關。外加恒流源越大老化越快。壽命：通常把亮度降到初始亮度一般所經歷的時間稱為二極管的壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103~104小時后，先后測得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。長期以來總認為LED壽命為106小時，這是指單個LED在e=20mA下。隨著功率型LED開發應用，國外學者認為以LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。如LED的光衰減為原來35%，壽命＞6000h。2/6/202342LED熱學特性LED的光學參數與pn結結溫有很大的關系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20mA長時間連續點亮LED溫升不明顯。若環境溫度較高，LED的主波長或λp就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩定性影響應專門設計散射通風裝置。LED的主波長隨溫度關系可表示為λp（T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每當結溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設計尤其應注意用散熱好的燈具外殼或專門通用設備、確保LED長期工作。2/6/202343LED熱學特性LED測量的環境溫度一般為Tamb＝25oC。隨著溫度的增加，LED波長的中心會發生藍移或紅移隨著溫度的增加，LED的光強將會減小2/6/202344LED熱學特性2/6/202345LED熱學特性2/6/202346LED熱學特性2/6/202347LED熱學特性LED散熱結構2/6/202348LED應用照明應用：

2/6/202349LED應用汽車部分：以汽車內裝使用包括了儀表板、音箱等指示燈，及汽車外部(第三剎車燈、左右尾燈、方向燈等)，目前歐洲系列車種