知道并不代表懂 從頭到腳解剖LED
加入技術交流群
在1962年誕生的初始，LED只是激光技術的副產(chǎn)品，但是經(jīng)過歲月的打磨，它已經(jīng)成為了照明業(yè)的王者。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201710/368068.htm回顧歷史
1907年，英國馬可尼（Marconi）實驗室的科學家Henry Round第一次推論半導體PN結在一定的條件下可以發(fā)出光。這個發(fā)現(xiàn)奠定了LED被發(fā)明的物理基礎。
1927年，俄羅斯科學家奧列弗拉基洛謝夫（Oleg Vladimirovich Losev）獨立制作了世界上第一顆LED，其研究成果曾先后在俄國、德國和英國的科學雜志上發(fā)表，可惜當時并沒有人理睬他。
1955年，美國無線電公司（RadioCorporation of America）33歲的物理學家魯賓·布朗石泰（Rubin Braunstein）首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵（GaAs）及其他半導體合金的紅外放射作用并在物理上實現(xiàn)了二極管的發(fā)光，可惜發(fā)出的光不是可見光而是紅外線，但這個貢獻也很大了。
1961年，德州儀器公司（TI）的科學家鮑勃·布萊德（Bob Biard）和加里·皮特曼（Gary Pittman）發(fā)現(xiàn)砷化鎵在施加電子流時會釋放紅外光輻射。他們率先生產(chǎn)出了用于商業(yè)用途的紅外LED并獲得了砷化鎵紅外二極管的發(fā)明專利。不久，紅外LED就被廣泛應用于傳感及光電設備當中。
1962年，美國通用電氣公司（GE）一名34歲的普通研究人員尼克·何倫亞克（Nick Holonyak Jr.）發(fā)明了可以發(fā)出紅色可見光的LED，被稱為“發(fā)光二極管之父”，后來也獲得了N多獎項。當時的LED還只能手工制造，而且每只的售價需要10美元。1963年，他離開通用電氣公司，出任其母校美國伊利諾大學電機工程系教授，培養(yǎng)自己的接班人。
1972年，何倫亞克的學生喬治·克勞福德（M. George Craford）踏著前輩們的腳步發(fā)明了第一顆橙黃光LED，其亮度是先前紅光LED的10倍，這標志著LED向著提高發(fā)光效率方向邁出的第一步。
20世紀70年代末期，LED已經(jīng)出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，但依然沒有藍色和白色光的LED。因為只有發(fā)明出藍光LED才可能實現(xiàn)全彩色LED顯示，市場價值巨大，也是當時世界性的攻關難題?？茖W家們轉而將重點放在了提高LED的發(fā)光效率上面。
20世紀70年代中期，LED可產(chǎn)生綠、黃、橙色光時，發(fā)光效為1流明/瓦，到了20世紀80年代中期對砷化鎵和磷化鋁的使用使得第一代高亮度紅、黃、綠色光LED誕生，發(fā)光效率已達到10流明/瓦。
1993年，中村修二在日本日亞化學工業(yè)株式 會社（Nichia Corporation）就職期間，利用半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）發(fā)明了藍光LED，在藍光LED出現(xiàn)之前，由于無法通過RGB系統(tǒng)合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應用于照明領域。因此在1995年中村修二采用銦氮化稼又發(fā)明了綠光LED，在1998年利用紅、綠、藍三種LED制成白光LED，從此綠光與白光LED研制成功，標志著LED正式進入照明領域，是LED照明發(fā)展最關鍵的里程碑。中村修二被稱為“藍光、綠光、白光LED之父”
1996年，日亞化學公司在日本最早申報的白光LED的發(fā)明專利就是在藍光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍光與熒光粉被激活后發(fā)出的黃光互補而形成白光。藍色和白色光LED的出現(xiàn)拓寬了LED的應用領域，使全彩色LED顯示、LED照明等應用成為可能。
21世紀初，LED已經(jīng)可以發(fā)出任何可見光譜顏色的光（還包括有紅外線和紫外線）。其發(fā)光效率已經(jīng)達到100流明/瓦以上。
發(fā)光機理
LED取自Light Emitting Diode三個字的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”，具有二極管的特性。LED的心臟是一個半導體的晶片。晶片主要由P型半導體和N型半導體組成，不同材料的P型和N形半導體經(jīng)正向電流作用下會發(fā)出不同色彩的光。
優(yōu)點和缺點
先說優(yōu)點
1.節(jié)能，比白熾燈節(jié)能80%以上，比節(jié)能燈節(jié)能50%以上
2.體積小，重量輕，不怕震動
3.光效高，是白熾燈15m/w的8倍，是熒光燈50 Lm/w的2倍多
4.光色可選擇，LED光源的發(fā)光顏色和色溫都可以靈活應用
5.方向性好，LED發(fā)光角度可以靈活調整
6.環(huán)保：沒有節(jié)能燈所含的汞等有害物質
7.冷光源無紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射。
8.壽命長，壽命可達5萬-10萬小時比傳統(tǒng)光源壽命長10-50倍以上。
9.響應速度快，納秒級。
1.散熱問題，LED在電致光的過程中另外一部分能量轉化成熱量，如無法及時散發(fā)出去，PN結的結溫將會升高，加速芯片和封裝樹脂的老化，使芯片失效，影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)
2.防水性能差，是戶外使用的一個致命弱點光源內部吸水后內部金屬氧化影響輸出或產(chǎn)生內應力、熒光粉吸潮變色，光色漂移
3.成本較高。光源。散熱器。電源。高透燈罩/透鏡/反射罩。四者成本集體推高LED成本
4.需要驅動器提供恒流電源，驅動器壽命是影響燈具壽命的重要因素
5.半導體器件，對靜電影響比較敏感，易被靜電擊穿PN結導致漏電流或死燈
與傳統(tǒng)光源相比
LED的特性
LED工作電壓一般在2-3.9V之間。（不同光色的LED壓降不一樣）：綠色-3.3-3.9V;藍色、寶藍色-3.1-3.9V;紅色、琥珀色、橘紅色、-2.1-2.5V。LED的工作電流會隨著供應電壓的變化而產(chǎn)生較大的波動，所以LED一般要求工作在恒流驅動狀態(tài)。LED具有單向導通的特性（電流只能從二極管的正極流入，負極流出）。LED的光輸出會因應其輸入的電流而產(chǎn)生變化。LED的光輸出深受其工作溫度的影響。
LED芯片是半導體發(fā)光器件LED的核心部件，它主要由砷（AS）。鋁（AL）。鎵（Ga）。銦（IN）。磷（P）。氮（N）。鍶（Si）這幾種元素中的若干種組成。
生產(chǎn)過程
一般將LED的生產(chǎn)分為上、中、下游三部分。
1.制造成單晶棒，再將單晶棒用鉆石刀切成薄片（主要有藍寶石和、SiC、Si）長晶爐生長-掏取晶棒-滾磨-品檢-切片-研磨- 倒角-拋光-清洗-品檢-OK。
2.外延片生產(chǎn)-利用MOCVD金屬有機化學氣相淀積等方法在單晶襯底在上面磊晶襯底 - 結構設計 - 緩沖層生長- N型GaN層生長-多量子阱發(fā)光層生- P型GaN層生長–退火-檢測（熒光、X射線）-外延片。
3.芯片生產(chǎn)-在外延片上制作電極（PN電極）并對成品進行切割分選等外延片活化-蝕刻-蒸鍍-PN電極制作-保護層-上焊盤-研磨拋光-點測-切割-擴張-目檢-包裝。
1.上支架-點底膠-放芯片-烘烤固晶-金絲鍵合-模具灌膠-插支架-離模-后固化-切腳 -測試-光色分選-包裝（草帽管、食人魚等）。
2.上支架-點底膠-放芯片-烘烤固晶-金絲鍵合-點熒光膠-外殼灌封-測試-光色分選-包裝（大功率LED）。
下游：LED光源的應用
光源模組、替代光源、燈具、燈條燈帶、廣告燈箱、燈光工程、家居裝飾、顯示屏、汽車尾燈植物生長、醫(yī)療、手機筆記本電視的背光源等等。
LED芯片種類
LED的封裝
主要有三種封裝方式
1. 環(huán)氧樹脂封裝工藝：
優(yōu)點：密封性好、 抗震性強、 防護能力好、成本低。
缺點：散熱效果不佳、耐黃變能力弱、應力大、抗紫外能力弱，焊接溫度過高易開裂。故主要作為普光LED外封膠。
2. 硅樹脂封裝工藝：
優(yōu)點：高折射率，高透光率，密封性能優(yōu)于硅膠，散熱能力介于環(huán)氧樹脂和硅膠之間，具有樹脂和硅膠的部分特性。
缺點：應力較硅膠大，防潮或焊接不當易出現(xiàn)膠裂/分層硅樹脂由于價格昂貴，主要作為高亮度級白光LED外封膠。
3. 硅膠封裝工藝：
優(yōu)點：熱膨脹系數(shù)小，散熱性能好、應力較小、紫光能力強、回流焊時不容易膠裂、耐黃變能力強。
缺點：密封性不佳、防護能力弱、抗震性差，具有透氧透濕特性，用于戶外時需對燈體結構進行二次防護處理硅脂相對價格較貴，主要作為對光衰有要求的白光LED封膠。
頭疼的散熱問題
LED在工作過程中會放出大量的熱，使結溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發(fā)熱效應越大。溫度的升高將導致器件性能變化與衰減，非輻射復合增加，器件的漏電流增加，半導體材料缺陷增長，金屬電極電遷移，封裝用環(huán)氧樹脂黃化等等，嚴重影響LED的光電參數(shù)。甚至使功率LED失效。因此，對于LED器件，降低熱阻與結溫、對發(fā)光二極管的熱特性進行研究顯得日趨重要。
配光可以控制LED燈具的照射范圍，照射方向，估計有效安裝高度、射程（當然跟光源有關系），照射范圍里的大概照度如何、照明環(huán)境的布光效果等。
評論