LED概述.docx
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LED概述
LED概述
LED（LightEmittingDiode）即发光二极管是利用半导体的P-N结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。
LED具有亮度高、功耗小、寿命长、工作电压低、易小型化等优点。
近几年来，由于LED具有环保及低耗能等优点，它得到迅猛的发展和广泛的应用。
尤其近些年来随着蓝光LED的规模化生产以及大功率LED的突飞猛进，LED逐渐走入了我们生活，如LED手机屏幕，LED照明灯，LED显示屏等都为我们的生活带来了极大的方便。
一．LED的结构及发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。
LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封（如图1-1所示），起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
图1-1发光二极管的构造图
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
LED发光又分为p-n结注入发光和异质结注入发光。
1.1p-n结注入发光
p-n结未加电压时构成一定的势垒（如图1-2所示）。
图1-2未加电压时的p-n结势垒
当加正向偏置时势垒下降（如图1-3所示），p区和n区的多数载流子向对方扩散。
由于电子迁移率μ比空穴迁移率大得多，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。
这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。
图1-3加正向偏压时的p-n结势垒
1.2异质结注入发光
未加偏置时的异质结能级图，对电子和空穴具有不同高度的势垒（如图1-4所示）。
图1-4未加电压时异质结能级图
加正向偏置后（如图1-5所示），这两个势垒均减小。
但空垒的势垒小得多，而且空穴不断从P区向n区扩散，得到高的注入效率。
N区的电子注入P区的速率却较小。
这样n区的电子就越迁到价带与注入的空穴复合，而发射出由n型半导体能隙所决定的辐射。
由于p取得能隙大，光辐射无法把点自己发到导带，因此不发生光的吸收，从而可直接透射处发光二极管外，减少了光能的损失。
图1-5正向偏置后的能级图
二．LED的特性
2.1效率
用内量子效率ηqi和外量子效率ηqe来表征：
ηqi=NT/G
公式中NT为辐射复合产生光子的效率，G为注入的电子空穴对数。
这样ηqi等于注入每个电子空穴对应半导体内所发生的光子数，最高可接近100%。
ηqe=NT/G公式中，NT为从发光二极管输出光子的效率。
这样ηqe等于注入每个电子空穴对所产生的输出器件外的有效光子数，一般只有0.01----13%。
2.2光的光谱分布
目前国内常用几种颜色的超高亮LED的光谱波长分布为460～636nm，波长由短到长依次呈现为蓝色、绿色、黄绿色、黄色、黄橙色、红色。
具体波长分布见表1-1。
表1-1光谱分布表
常见几种颜色LED的典型峰值波长是：
蓝色——470nm，蓝绿色——505nm，绿色——525nm，黄色——590nm，橙色——615nm，红色——625nm。
2.3发光强度分布
一种在GaP基片上生成GaAsP的发光二极管的发光分布强度如图1-6所示，谱线宽度为400Å，发射的角度宽度约为22°，500μW/sr。
总之，发光二极管的幅通量是集中在一定角度内发射出去的。
图1-6发光强度分布图
2.4光出射度
表明几种半导体P-N结发射的光出射度与输入电流的关系（如图1-7）。
可见，GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAs，半导体发光管具有良好的线性，其他两种则相当差。
图1-8表明发光二极管输出的光通量强烈地依赖环境温度，使用时必须加以考虑。
图1-7几种半导体P-N结的光出射度与输入电流的关系
图1-8发光二极管输出的光通量与环境温度的关系
2.5响应时间
发光二极管的响应时间是标志反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。
响应时间是指注入电流后发光二极管启亮（上升）和熄灭（衰减）的时间。
发光二极管的上升时间随着电流的增大近似的成指数地衰减。
直接跃迁的材料如（GaAs1-xPx）的响应时间仅几个ns，而间接跃迁材料（如GaP）的响应时间则是100ns。
发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可高达几十兆赫。
这种直接调制技术使发光二极管在相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中得到应用。
2.6寿命
发光二极管的寿命一般很长，电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达1000000小时，即可连续点燃一百多年。
这是任何光源均无法与它竞争的。
发光二极管的亮度随着工作时间的加长而衰退，这就是老化。
老化的快慢与电流密度j和老化时间常数r有关。
三．LED主要性能参数
3.1VF（顺向电压）
几种光所对应的顺向电压如图1-9所示：
图1-9几种光所对应的顺向电压
3.2IF（顺向电流）
IF特性：
①以正常的寿命讨论，通常标准IF值设为20－30mA，
瞬间（20ms）可增至100mA；
2IF增大时LAMP的颜色、亮度、VF特性及工作温度均会受到影响，它是正常工作时的一个先决条件。
3IF值增大：
寿命缩短、VF值增大、波长偏低、温度上升、亮度增大、角度不变。
3.3VR（反向击穿电压）
VR是衡量P/N结反向耐压特性，当然VR赿高赿好；
VR值较低在电路中使用时经常会有反向脉冲电流经过，容易击穿变坏；
VR又通常被设定一定的安全值来测试反向电流（IF值），一般设为5V；
红、黄、黄绿等四元芯片反向电压可做到20－40V，蓝、纯绿、紫色等芯片反向电压只能做到5V以上。
3.4IR（反向击穿电流）
IR是反映二极管的反向特性，IR值太大说明P/N结特性不好，很快快被击穿；IR值太小或为说明二极管的反向很好；
通常IR值较大时VR值相对会小，IR值较小时VR值相对会大；
IR的大小与芯片本身和封装制程均有关系，制程主要体现在银胶过多或侧面沾胶，双线材料焊线时焊偏，静电亦会造成反向击穿，使IR增大。
3.5IV（LED的光照强度，一般称为LED的亮度）
指LED中有流过电流时的光强，单位一般用坎德拉（mcd）来衡量。
3.6W/D（主波长，单位是nm，纳米）
LED正常工作时的颜色特性，颜色特性具体见LED介绍中的颜色分类，通常用W/D来衡量颜色的变化特性，在电流和温度不同的情况下主波长测试值均不相同的，封装厂商会按相同的条件将W/D按不同的等级分类。
3.7△θ（半功视角，单位是“度＂）
发光管LAMP发光强度为一半时所对应的角度。
角度的大小与芯片体积的大小、支架碗杯的角度、杯深、模粒的球面直径、卡点等有关系。
角度赿大照出的光圈赿大，反之赿小。
四.封装
LED芯片（如右图所示）生产出来后还并不能直接使用,必须通过封装技术引出电极才能使用.LED封装的作用是将外引线连接到LED晶片的电极上，不但可以保护LED晶片，而且起到提高发光效率的作用。
所以LED封装不仅仅只是完成输出电信号，更重要的是保护管芯正常工作，输出可见光的功能。
可见LED封
装既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，并不是一项简单的工作。
4.1封装工艺流程
a）清洗：
采用超声波清洗PCB或LED支架，并烘干。
b）装架：
在LED管芯（大圆片）底部电极备上银胶后进行扩张，将扩张后的管芯（大圆片）安置在刺晶台上，在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在PCB或LED支架相应的焊盘上，随后进行烧结使银胶固化。
c）压焊：
用铝丝或金丝焊机将电极连接到LED管芯上，以作电流注入的引线。
LED直接安装在PCB上的，一般采用铝丝焊机。
（制作白光TOP-LED需要金线焊机）
d）封装：
通过点胶，用环氧将LED管芯和焊线保护起来。
在PCB板上点胶，对固化后胶体形状有严格要求，这直接关系到背光源成品的出光亮度。
这道工序还将承担点荧光粉（白光LED）的任务。
e）焊接：
如果背光源是采用SMD-LED或其它已封装的LED，则在装配工艺之前，需要将LED焊接到PCB板上。
f）切膜：
用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。
g）装配：
根据图纸要求，将背光源的各种材料手工安装正确的位置。
h）测试：
检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。
I）包装：
将成品按要求包装、入库。
4.2LED封装类型
（一）LED封装插入式（ThroughHole）
1、相线两侧垂直引出：
陶瓷双列陶瓷熔封双列塑料双列金属双列塑料缩小型双列塑料缩体型双列
2、引线两面平伸引出：
陶瓷扁平陶瓷熔封扁平塑料扁平金属扁平
3、引线底面垂直引出：
塑料单列塑料“Z”形引线金属四列金属圆形金属菱形金属四边引线圆形陶瓷针栅阵形塑料针栅阵形
4、引线单面垂直引出：
金属引线单面引出扁平塑料弯引线单列
（二）LED封装表面安装式（SurfaceMount）
1、引线侧面翼形引出：
塑料小外形塑料翼形引线片式载体陶瓷翼形引线片式载体
2、引线侧面“J”形引出：
塑料小外形塑料“J”形引线片式载体陶瓷“J”形引线片式载体塑料反“J”形引线片式载体陶瓷反“J”形引线片式载体
3、引线四面平伸引出：
塑料四面引线扁平陶瓷四面引线扁平
4、陶瓷无引线片式载体
（三）LED封装直接粘结式（DirectBonding）
1、倒装芯片封装
2、芯片板式封装
3、载带自动封装
五LED现状
半导体照明按产业链结构看，从下游到中游再到上游，技术含量与难度逐渐加大。
衬底作为半导体照明产业技术发展的基石，目前能用于批量生产外延片的衬底材料仅有蓝宝石和碳化硅衬底，其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离；芯片技术正向衬底剥离技术、表面粗化技术、发展大功率大尺寸芯片并提高侧向出光的利用效率等方向发展；在封装方面，各单位都在致力于解决散热、二次光学设计、静电防护、筛选与可靠性保证等关键技术，并向大面积芯片封装、开发大功率紫外光LED、开发新的荧光粉和涂敷工艺、多芯片集成封装等方向发展。
目前，美、日、德、台湾已经发展成为世界半导体照明产业技术水平最高的国家和地区，处于引领产业发展方向的前沿位置，且大部分专利技术掌握在以Cree、Lumileds、Nichia、ToyodaGosei、Osram为首的少数大公司手中，对核心技术有很强的保护措施；同时，各主要国家和地区纷纷制订产业发展技术路线图，组织强势企业和科研机构进行技术突破，拟在技术领域占领制高点。
我国半导体照明产业在“863”和攻关计划的支持下，技术水平发展很快，在个别环节上达到国际先进水平（如功率型蓝芯片发光功率现已达到130mw，功率型白光LED发光效率超过35lm/w），但整体水平与国外相比还存在很大的差距，仅从专利角度看，主要差距表现在上游专利申请量少，并以外围发明专利为主，下游申请量虽大，但大部分都是实用新型专利。
全球半导体照明市场增长很快，2003年达到规模45亿美元，近几年年均增长率超过20％。
作为照明基础的高亮度LED的增长更加迅速，在1995-2004年的十年间年均增长率达到46％，2004年市场规模达到37亿美元。
目前，高亮LED主要应用于手机与PDA等背光源、显示屏、汽车、交通信号、景观装饰、特种工作照明等领域，其中手机、PDA等的背光源占高亮LED市场的58%。
目前，全球半导体照明产业形成了以美国、亚洲、欧洲三足鼎立的全球产业格局。
世界主要厂商分布在美国、日本、欧盟等地，他们拥有核心技术专利，在GaN基蓝、蓝光LED、白光技术方面具有领先优势，同时在产业规模方面也具有优势。
我国台湾地区和韩国堵塞LED产业近年来发展很快，台湾地区的芯片数量和封装产量占到全球的60％。
半导体照明是一个新兴的产业，技术水平发展很快，新技术、新产品不断涌现，一些可以用于白光照明的功率型LED产品已可批量生产，产业发展已达到一个快速上升的阈值。
2003年中国（不含台湾、香港、澳门、西藏地区）LED的生产数量达到200亿只，销售额为100亿元人民币，约占全球市场的12%。
1993-2003年间中国LED销售量和销售额的年均增长率分别为20%和31%。
据预测，未来五年我国LED的年均增长率仍将保持19％左右，2008年市场规模有望达到250亿元，功率型LED产品市场平均增长率将达到27%。
目前，国际半导体照明产业竞争逐步加剧，知识产权和行业标准成为竞争的热点。
主要厂商利用其专利方面的优势，试图通过设置专利壁垒和制定行业标准来控制市场，限制和阻挠其它国家和企业的发展，在竞争中占据有利地位。
照明革命从传统电灯转向LED市场。
这场革命是从小范围开始的，如交通灯和类似于纽约时代广场的纳斯达克显示屏。
但是业界专家预测：
节约能源的发光二极管迟早都会取代其他照明方式，包括家用灯泡和灯管。
六LED发展前景
6.1LED照明产业
良好的外部经济环境为产业发展提供了良好发展机遇。
一方面，中国经济的高速发展，消费水平和消费观念的变化，以及特殊消费领域的需要等，都为中国半导体照明产业提供了广阔的市场发展空间。
我国的城市化进程加快，房地产市场繁荣，在城市亮化、景观装饰等方面市场增长强劲，同时我国在大屏幕显示、背光源、汽车应用等市场方面发展迅速，为半导体照明创造了庞大的市场。
同时，半导体照明新兴产业的特点使实现行业赶超成为可能。
LED作为未成熟产业，与发达国家的差距相对成熟产业要小一些，同时中国已形成了一定的产业和技术研发基础，有形成具有国际竞争力的产业的机会；尤其是在半导体白光照明领域与国际差距不大，技术进展很快。
未来要达到200lm/W的白光照明目标，技术路线可能与目前技术路线会有所不同，我们仍然有实现技术突破的可能，突破国外专利的包围。
此外，全球化的产业趋势为产业发展创造了良好机遇。
全球经济一体化兴起，国际半导体照明产业正在向我国进行产业梯次转移，使中国的半导体照明产业有实现跨越式发展的可能。
同时，中国企业可以通过联合、兼并等多种战略手段来获取其它国家的资源，弥补差距；从国际上招募研发人才，寻求技术突破，领先进入市场。
在良好外部环境促成产业发展历史机遇的同时，我国半导体照明产业自身也显示出了巨大的竞争优势潜力。
首先是政策环境的优势。
政府积极推动，成立了跨部委的国家半导体照明协调领导小组，启动了“国家半导体照明工程”。
国家“863”计划、攻关计划等对我国企业及研究机构投入了相应的资金以支持基础研究及技术研发，并建立了五个半导体照明产业化基地，启动了一批示范工程。
其次是市场的优势。
LED市场内需强劲、外需猛增。
巨大的国内市场需求一方面拉动半导体照明发展，同时有利于半导体照明产业链中的诸多环节实现规模经济效应。
再次是产业自身的优势。
中国已形成了从原材料到外延片生产、芯片制备、器件封装及产品应用较完整的产业链，具备一定的产业基础和研发基础；我国制造业整体能力较强，尤其是半导体照明下游封装产业，具有产业集聚的优势；同时我国是传统照明产业出口大国，在传统照明领域具有一定优势，有助于半导体照明产业的发展。
还有资源上的优势。
我国具有丰富的有色金属资源，镓、铟储量丰富，占世界储量的80%，这对发展我国半导体照明产业具有得天独厚的优势；同时，大量的民间闲置资本投资于半导体照明产业已成为热点。
最后是我国的成本优势。
中国劳动力成本低廉，相当于发达国家劳动力成本的1/20－1/10，具有劳动力成本优势。
6.2LED显示产业
不同于普通的阴极射线管电视机（CRT）、等离子屏（PDP）、液晶屏（LCD），LED显示屏是使用半导体发光二极管作为发光元件组成的显示屏，由于LED具有超高的亮度、鲜艳的色彩、低电压使用、低功耗、长寿命等诸多优点，虽然视角做不到180度和像素间距目前不能做得太小（一般≥3mm），但是其独特的优势在大型显示屏，尤其是在光线充足的室内场合和室外场合，LED显示屏是目前其他显示产品无法替代的产品。
LED彩色显示屏是从上世纪90年代发展起来的，随着半导体技术和电子技术的飞速发展得以逐步成熟。
早期的LED显示屏存在视角小、亮度低且不均匀、清晰度低、质量不稳定等问题。
现代LED显示屏技术正在向宽视角、高亮度、高清晰度、高画质、高可靠性等高性能方向发展。
现代彩色LED显示屏是集光电技术、计算机技术、数字处理技术等多种技术为一体的高科技产品。
它采用由高质量红、绿、蓝三基色半导体发光器件（LED）组成彩色发光像素管，由专用大规模和超大规模集成电路组成显示电路，把全彩色电视信号和计算机信号通过数字处理，在几平方米至上千平方米的超大型显示屏上实现显示彩色图像和文字信息的大型显示系统设备。
它既是一个巨型彩色电视，又是一个大型彩色计算机终端，加上配置的音响使之成为一个功能强大的多媒体信息传播工具。
巨幅的彩色画面能使成千上万人同时观看，有着极大的渲染力。
这些特点使LED显示屏跻身于电视、报纸杂志、广播和互联网等主要传播媒体之列，在当今日新月异的信息技术发展时代，起着越来越显著的作用。
体育场馆是LED显示屏最早开始应用的场所之一，如今现代化的体育场馆彩色LED显示屏以及记分牌已经成为必备的设备。
在2008年北京奥运会上，LED显示屏的应用就得以充分体现。
除了每个场馆均配备了大型LED显示屏和记分牌，开幕式上出现的神奇巨幅画轴也是LED显示屏的创新应用。
近年来室内外LED广告显示屏异军突起，世界各大城市广场、重要车站、交通要道都在建立广告信息大彩屏，这给彩色LED显示屏带来了更为广阔的市场。
LED显示屏还被广泛应用于交通枢纽、股票证券交易所、大型文艺演出、商展等大型公共场所；此外建筑灯光装饰与LED显示技术的相互渗透，正在使城市的夜景变得越来越绚丽多彩。
彩色LED显示屏的关键性能通常认为有六个方面：
亮度与角度、均匀性与清晰度、色彩还原度、像素失效率、寿命、能耗与能效。
要达到这些高性能指标，需要多方面的技术创新，如驱动电路的设计、器件的选择和合理使用、控制系统的设计、信号的传输、色彩和亮度的校正、合理的结构设计、系统软件等等，这些因素都将影响显示系统的性能。
早期LED器件亮度不足、视角小的问题，目前已由器件厂家逐步解决。
应该说LED显示屏技术发展速度非常快，尤其是彩色LED显示屏技术，国内外各生产厂家都在致力于研发新技术制造更高品质的LED显示屏。
国内的企业近几年技术发展也相当迅速，同时外国企业进入中国带来了世界先进水平的产品，也促进了产业的技术进步。
美国达科电子是目前世界上最大的专业制造LED显示屏的企业，2006年进入中国以来，成功实施了像上海南京路宏伊大厦、北京五棵松奥运体育馆、北京铁路南站等多个大型LED显示屏工程。
中国的LED显示屏市场非常大，据中国光学光电子行业协会LED显示屏应用分会的统计显示：
2007年中国LED显示屏市场销售额达到72亿元，未来几年将保持较高的增长速度。
相信随着LED显示技术不断创新、成本不断下降以及人们对LED产品的认知不断加深，彩色LED显示屏应用范围将进一步扩大，并将在社会经济发展中发挥显著的作用。
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