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发光二极管应用原理 特性

时间:2008-12-16 17:59:17

发光二极管(LED),是一种半导体元件。初时多用作为指示灯、显示板等;随着白光发光二极管的出现,也被用作照明。它是21世纪的新型光源,具有效率高、寿命长、不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时,发光二极管能发出单色、不连续的光,这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分,可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。

发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样,发光二极管由半导体晶片组成,这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。与其它二极管一样,发光二极管中电流可以轻易地从p极(阳极)流向n极(负极),而相反方向则不能。两种不同的载流子:电洞和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当电洞和电子相遇而产生复合,电子会跌落到较低的能阶,同时以光子的模式释放出能量。

它所发出的光的波长(决定颜色),是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于矽和锗是间接带隙材料,在这些材料在常温下电子与电洞的复合是非辐射跃迁,此类跃迁没有释出光子,所以矽和锗二极管不能发光。但在极低温的特定温度下则会发光,必须在特殊角度下才可发现,而该发光的亮度不明显。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的,这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。

发展初期,采用砷化镓(GaAs)的发光二极管只能发出红外线或红光。随着材料科学的进步,各种颜色的发光二极管,现今皆可制造。

以下是发光二极管的无机半导体原料及发光颜色:

铝砷化镓(AlGaAs) -红色及红外线
铝磷化镓(AlGaP) -绿色
磷化铟镓铝(AlGaInP) -高亮度的橘红色、橙色、黄色、黄绿色
磷砷化镓(GaAsP) -红色、橘红色、黄色
磷化镓(GaP) -红色、黄色、绿色
氮化镓(GaN) -绿色、翠绿色、蓝色
铟氮化镓(InGaN) -近紫外线、蓝绿色、蓝色
碳化矽(SiC) (用作衬底) -蓝色
矽(Si) (用作衬底) -蓝色(开发中)
蓝宝石(Al2O3) (用作衬底) -蓝色
硒化锌(ZnSe) -蓝色
钻石(C) -紫外线
氮化铝(AlN),铝氮化镓(AlGaN) -波长为远至近的紫外线

优点
发光效率高
反应时间快
使用寿命长
不易破损
耗电量少
环保无汞
体积小
可应用在低温环境
光源具方向性
造成光害少
色域丰富

缺点
散热问题,如果散热不佳会大幅缩短寿命。
除非购买高级产品、否则省电性还是输萤光灯(冷阴极管,CCFL)、有些LED的省电性也输给省电灯泡。
初期成本较高。
因光源属于方向性,灯具设计需考量光学特性。

发光<a href=http://www.838dz.com/e/search/result/?searchid=13898 target=_blank class=infotextkey>二极管</a>应用原理 特性

下:采用不同材料生产的发光二极管的特性

 
[!--empirenews.page--]GaAsP磷砷化镓LED(Ⅲ-Ⅴ族)[/!--empirenews.page--]GaAsP磷砷化镓LED(Ⅲ-Ⅴ族)

1、元件构造与发光特性
GaAs1-xPx可以作为红色(X=0.4,655nm)及黄(X=0.85,590nm)、橙(X=0.75,610nm)、绿色(X=1,555-565nm)发光二极管,最大不同在于红色LED系使用GaAs做基板,而黄、橙、绿色LED则以GaP为基板。由于发光区域GaAs1-xPx材料之晶格常数与基板相差甚大,无法直接长在基板上,因此均先成长一层组成份渐变层,逐渐将组成份调整至所需比例后再生长一层组成份固定层,但如果是黄色或橙色LED时,则尚须在组成份固定层之最后约20mm参杂氮。 PN接面是以锌拓散方式而形成,与一般液相结晶成长法(LPE)直接长成P型层形成PN接面者不同。 
     GaAs1-xPx材料之能隙与组成份x之关系在0<x<0.49范围内为直接能隙,因此发光效率较高,如红光LED(x=0.4)。 x>0.49时为间接能隙,发光效率差,如黄光(x=0.85)及橙光(x=0.75)LED。为了提升间接能隙区之发光量子效率,在结晶成长之最后约20mm参杂氮,可使得发光量子效率增加。一般而言,在直接能隙范围内之GaAsP材料通常不参杂氮,如GaAs0.6P0.4红色LED;黄色、橙色或是绿色(x=1)LED则均参杂氮以提高发光效率。此外,由于GaP基板之能隙较黄、橙光之能量大,因此对黄、橙光而言,GaP基板是透明的,发出之光不会被基板所吸收。而GaAs0.6P0.4红光之能量较GaAs基板大,因此所发出之光会被基板所吸收。因此可以知道GaAsP或GaP之发光效率都不好。

2、结晶成长技术
GaAs1-xPx红、黄、橙三色之LED皆以气相结晶成长法(VPE)长成,以GaAs0.6P0.4红光LED而言,选择GaAs基板之晶格失配率为1.5%,黄光LED( x=0.85),以GaP为基板之晶格失配率为0.6%,而晶格失配愈严重则结晶成长时之缺陷愈多,使得结晶品质变差,发光效率降低。

3、应用
以GaAsP材料做成之LED,由于前述晶格失配的问题,使得其亮度(为低亮度)不如以液相结晶成长(LPE),晶格匹配良好之AlGaAs高亮度红色LED,但因其颜色涵盖红橙黄三色,因此广泛地应用于室内之显示,如家电、汽车仪表、活动看板等,是LED显示多彩色化不可或缺的元件。

[!--empirenews.page--]AlGaAs砷化铝镓高亮度红色LED(Ⅲ-Ⅴ族)[/!--empirenews.page--]AlGaAs砷化铝镓高亮度红色LED(Ⅲ-Ⅴ族)

1、元件构造与发光特性
在红色LED的材料中,传统的磷砷化镓(GaAsP;GaAsP/GaAs,发光波长660nm;VPE)及磷化镓(GaP;GaP(Zn,O),发光波长690nm,LPE)红色LED技术上都已成熟。然而,在GaAsP方面,由于没有适当匹配的基板,因此结晶时有缺陷的产生,其发光效率也就无法提升;而GaP在本质上就无法产生极高的发光效率,所以上述两种LED的亮度较低,只适合于室内的使用规格。因此,发展适用于户外的高亮度红色LED变成为一种重要的技术。

目前市场上的高亮度红色LED的产品主要集中在AlGaAs此种材料所制成的元件。 AlGaAs的主要优点在于:

(1)lxGa1-xAs在不同的铝含量下,其晶格常数皆可匹配于砷化镓基板,因此可在基板上长成品质佳的AlGaAs结晶层。

(2)于AlxGa1-xAs红色LED(x=0.35,发光波长660nm)而言,其发光层为直接能隙的材料,因此其拥有较佳的发光效率。

上述的材料特性使得AlGaAs克服了GaAsP及GaP的缺点。传统上,双异质结构的AlGaAs高亮度红色LED其亮度已可达到户外应用的规格(亮度须大于1烛光=1000mcd)。然而,上述结构具有一共同的劣势,即其GaAs基板的吸光效应,由于半导体材料与封装用的树脂或空气的折射系数差异很大,因此在活性层产生的光极易返回晶体内部,如果这些反射光行进至GaAs基板,将被能隙小的GaAs基板吸收而损耗。由此现象可知,如果以较高能隙的AlGaAs来代替GaAs基板(双面发光型双异质结构---DDH,如图3-3),理论上由于AlGaAs基板不吸光,往基板行进的光将有机会经由底部再反射回表面,因此亮度将可提高一倍以上。自从发展出此种DDH结构后,AlGaAs高亮度红色LED的亮度已可高达5000mcd以上。

2、结晶成长技术
AlGaAs高亮度红色LED量产产业的结晶成长基本上是以LPE技术为主。而对于DDH结构而言,由于必须成长AlGaAs透明基板,所以有二个关键问题必须注意:

(1)AlGaAs透明基板具有较高的铝含量,容易产生氧化的问题。

(2)基板厚度通常必须大于150mm,随着厚度增加,晶格缺陷也随之增多。

3、应用
因其发光效率良好且亮度高,故可用于户外显示需要高亮度的产品,如:第三煞车灯、交通号志及户外看板等。

[!--empirenews.page--]AlGaInP----磷化铝镓铟LED(Ⅲ-Ⅴ族)[/!--empirenews.page--]AlGaInP----磷化铝镓铟LED(Ⅲ-Ⅴ族)

1、元件构造与发光特性
前述曾提到作为户外使用之LED的亮度必须大于1烛光(1000mcd),所以传统以GaAsP或GaP为主要材料的橙、黄或绿色LED亮度都无法达到户外使用的标准,因此发展适用于户外之高亮度橙、黄或绿色LED变成为一炙手可热的技术,而磷化铝镓铟(AlGaInP)极为具有此特性的光电宠儿。由实验知,欲将磷化镓铟(GaInP)成长于砷化镓(GaAs)基板上,两者的晶格常数必须匹配,匹配下的GaInP组成,是52%的磷化镓(GaP)及48%的磷化铟(InP),如在GaInP上适度地加入铝,以取代其中的镓,既不会改变晶格常数,又可将直接能隙拓宽为1.85至2.3电子伏特间,其化学式为(AlxGa1-x)0.52In0.48P,其中x代表铝取代镓的比例。当铝含量增加时,直接能隙增加,波长随之变短,使得AlGaInP成为所有三五半导体具有最高能隙之材料。此材料也具有制成橙、黄或绿色发光二极管的潜力,更由于其属于直接能隙型,故发光效率可望高于现有之GaAsP、GaP LED。目前日本以AlGaInP开发出之橙色(x=0.2)及黄色LED亮度皆可达1000mcd以上,至于以AlGaInP开发出的绿色(x=0.5)LED,由于其活性层组成介于直接、间接能隙转折点,故发光效率远小于橙色和黄色LED,然而在适当的结构下,其亮度仍可数倍于现有的GaP绿色LED。如日本及美国做出的AlGaInP黄绿色LED(波长568-573nm)其亮度可达1500mcd。 前述所提由AlGaInP制造之LED波长逐渐缩短时,其活性层组成介于直接、间接能隙转折点,这时量子效率会急遽下降。再者由于GaAs基板的能隙小于AlGaInP,故会吸收由AlGaInP所发出的部分光,使其亮度降低,因此绿色AlGaInP LED必须从结构设计上着手,以提高亮度,其方法有三种:

(1)在AlGaInP活性层下方成长一多层反射结构,一来可减少往下漏出而被基板吸收之光,二来也可反射向上发出而又折回的光,达到提高亮度的目的。

(2)在P- AlGaInP层上成长一既不吸光又具有良好导电性之电流散布层(Current Spreading Layer)来加宽发光面积。一般是以P-AlGaAs,铝

含量大于70%以上。而绿色LED时,因为能隙问题,故使用P-GaP为电流散布层(如图3-4)。目前由美国制造出波长最短之554nm AlGaInP绿色LED。

(3)仿效高亮度红色LED之DDH结构。在GaAs基板上长一不吸光的AlGaAs基板,此基板的铝含量须大于0.75,厚度介于70-90微米之间。

2、结晶成长技术
由于AlGaInP中的铝在固液态之分布系数差异极大,因此以LPE成长AlGaInP,在铝含量的控制上相当困难,所以必须采用有机金属气相结晶法(MOVPE or MOCVD),或分子束结晶法(MBE)来成长,这是因为不同于LPE,铝在固、气相之间的分布系数几乎相同,因此可轻易控制固态中铝含量,再加上MOVPE具有均匀度良好,可长出界面性极佳之薄层结晶及易量产等优点,目前AlGaInP多以此方法长成。
3、应用
因其发光效率良好且亮度高,故可用于户外显示需要高亮度的产品,如户外看板等。

[!--empirenews.page--]SiC----碳化矽蓝色发光二极管(Ⅳ族)[/!--empirenews.page--]SiC----碳化矽蓝色发光二极管(Ⅳ族

目前主要制作蓝色LED的材料为碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)、硫化锌(ZnS)及硒化锌(ZnSe),碳化矽是属于间接能带的材料,其余皆为直接能带材料。目前碳化矽的制作方式是以LPE来成长,所发出蓝光的亮度平均可达12mcd,平均寿命也在5000小时以上。碳化矽蓝色LED目前早有产品问世,且价格也逐渐下降,然而由于亮度偏低,但价格比起其他颜色的发光二极管仍高出很多,而限制了其用途,未来亮度虽可提高至20-30 mcd,但亮度仍太低,因此只是一种过渡型的产品。未来蓝色LED的主力仍在氮化镓(GaN)、硫化锌(ZnS)及硒化锌(ZnSe)上。

ZnSe----硒化锌蓝色发光二极管(Ⅱ-Ⅵ族)

1、元件构造与发光特性
硒化锌在蓝色发光元件上受到重视是因为它有一2.68电子伏特的直接能隙,且其可很匹配地长在GaAs基板上,要长出纯蓝色的蓝色发光二极管已可做到。硒化锌元件目前以n-ZnSe/p-ZnSe/GaAs制作(如图3-5),在300K时,可发出波长为461nm的蓝光。

2、结晶成长技术
使用MOCVD或MBE已经可以很容易地在晶格常数非常匹配的GaAs上长出品质良好的硒化锌晶膜。而纯蓝色的p/n接面硒化锌LED就是使用MOCVD长成,方法为使用铝参杂的N型硒化锌结晶层和氮参杂的P型硒化锌结晶层来制作,其中N型的硒化锌结晶层要在锌较多的条件下成长,P型的硒化锌结晶层要在硒较多的条件下成长,如此便可制作出纯蓝色的硒化锌LED。

3、应用
在全彩化的条件中,必须具备三种基本的颜色,即红、绿和蓝三色,其中红色和绿色LED远早于蓝色LED被开发出来,故在蓝色发光二极管被开发出来后,及宣告LED全彩化时代已降临,有助于户外大型看板视觉上的改进。

[!--empirenews.page--]GaN--氮化镓蓝色LED & InGaN—氮化铟镓高亮度蓝色LED(Ⅲ-Ⅴ族)[/!--empirenews.page--]GaN--氮化镓蓝色LED & InGaN—氮化铟镓高亮度蓝色LED(Ⅲ-Ⅴ族)

1、元件构造与发光特性
此种半导体材料的制作是由日本人中村修二(Shuji.Nakamura)博士所研发,当在其研发的时后,大多数人皆一致看好ZnSe材料,但经过中村博士不断的努力,最后制作出目前极为热门的GaN蓝光半导体元件。 GaN采用蓝宝石(Sapphire)作为基板,并在基板上先长出一层以GaN为材料的的缓冲层(GaN Buffer Layer)以降低晶格不匹配的问题,最后做出了PN接面二极管(图3-6),其在当时已是非常了不起的高功率蓝色LED。然而为了提高亮度采用P-GaN/N-InGaN双异质结构(图3-7),此时所发出的蓝色光波长为440nm,但其亮度仍不是户外所能使用的烛光级。由于前述的材料结构所发出之光仍不够亮,且波长偏紫色,故进行结构修改。首先以Zn参杂InGaN发光层以提高亮度,再将GaN改为AlGaN以扩大发光层与夹层的能障,成功地完成了烛光级的高亮度In0.06Ga0.94N/Al0.15Ga0.85N (图3-8),波长为450nm,发光强度为1200mcd,并进而将此蓝色LED商品化。

2、结晶成长技术
中村博士于1990年9月使用创新技术的双气流(two flow)MOCVD,用于GaN的结晶生长,并改良使用GaN作为缓冲层的材料,成功地克服了晶格匹配的问题。再者发现使用热退火的制程,突破GaN结晶膜P型化的问题。上述两种技术的突破,可谓造成今日GaN或InGaN蓝色发光二极管成功的重大因素。

3、应用
在全彩化的条件中,已有红色和绿色高亮度LED,现在蓝色高亮度发光二极管也被开发出来后,更有助于户外大型看板视觉上的改进。

InGaN—氮化铟镓高亮度蓝绿色LED (Ⅲ-Ⅴ族)

上述中的高亮度蓝色InGaNLED,虽然解决了室外全彩化看板的问题,但由于其所发出的光太蓝了,所以不适用于交通号志上。有鉴于此,中村博士将发光层的InGaN中的In含量增加,以使其发光波长能介于蓝绿色的范围。此外,又在InGaN发光层(上图3-8)中同时参入Zn和Si以提高功率,最后做出波长为500nm,亮度为2000mcd的高亮度In0.23Ga0.77N/Al0.15Ga0.85N蓝绿色LED并进行商品化。 InGaN单一量子井(SQW)结构高亮度蓝、黄、绿、紫LED(Ⅲ-Ⅴ族) 将InGaN高亮度蓝绿色LED中的In含量增加时,无法做出波长大于500nm的绿、黄色LED,原因是因为晶格常数不匹配所致。为了改善此现象,中村博士采用了量子井结构来解决此问题(图3-9),在N-InGaN与P-AlGaN间再生长一层不参杂,仅20Å之In xGa1-xN单一量子井结晶层作为活性层,并调整其In含量(不同的颜色时,其三元材料的含量皆不同)以制作SQW高亮度蓝色(x=0.2)、绿色(x=0.43)、黄色、紫色(x= 0.09)LED,波长分别为450nm、525nm、590nm和4

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  • 这个太高深了,等等在观望 匿名 于2009-02-23 22:57:53发布
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