第1章LED发光机理2013.ppt

1,发光机理,白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以上的白色连续光谱。 发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。,2,自发辐射 -LED 工作原理,如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带； 当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为 hv。 电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫 LED。,3,自发辐射的光是一种非相干光： 当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。 同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。,4,LED的主要工作原理对应光的自发发射过程，因而是一种非相干光源。 LED发射光的谱线较宽、方向性较差，本身的响应速度又较慢，适用于各种照明中。,发光二极管LED,LD与LED的比较,半导体发光二极管（LED）与半导体激光二极管（LD）在结构上的根本区别就是它没有光学谐振腔，形不成激光。它的发光限于自发辐射。它发出的是荧光，而不是激光。,面发光二极管,优点：LED到光纤的耦合效率高,载流子注入,边发光二极管,优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低,载流子注入,30º,120º,8,LED为什么会发 不同颜色的光?,9,电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg，由光的量子性可知： hf= Eg 其中h为普朗克常量6.63×10-34J·s ,f为频率 据 f=c/（c=3*108m/s ） 可得 =hc/Eg 1240/Eg（mm）,LED发射波长的公式推导,10,光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即 1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。,11,12,比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。,白光LED （1998年、固态照明）； 思考：白光LED的意义？ 1、原理：二波长光混色(蓝色光+黄色光) GaN芯片发蓝光（p=465nm， Wd=30nm） ； 蓝光激发Ce(铈)：YAG（ Y3Al5O12，Y2O3和Al2O3的摩尔比为3：5 ）荧光粉，发射黄色光，峰值550nm ； 蓝光和黄光混合，得到白光。,全彩LED 在同一个发光单元中有三种颜色的LED ，LED紧密排列，这样可使得各LED的光斑人眼中成像重叠;,独立控制发光单元中的三种发光二极管的灰度级别，亦即控制每个发光单元中的红、绿、蓝三种颜色各自的亮度，就可使发光单元调配出多种不同的颜色。,基色合色： 红色+绿色=黄色； 红色+蓝色=品红色； 绿色+蓝色=青色； 红色+蓝色+绿色=白色,17,Capability Comparison Between Light Source in Machine Vision,照明光源类型,18,1)效率高:按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高(一般为1030lm/W，目前已知光效最高的白色LED光效可以达到551lm/W)，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到80%90%；而对于光效差不多的白炽灯，其可见光效率仅为10%20%。 2)光线质量高:由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故热量小，辐射低，LED属于典型的绿色照明光源。 3)光色纯:与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。,LED光源较传统光源的优点,19,4)电压适度且功耗低:LED使用低压电源，供电电压为624V，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 5)寿命长:光通量衰减到70%的标称寿命为10万h。LED光源在连续工作10, 000到30, 000小时后，亮度衰减，但远比其他形式的光源效果好。此外，用控制系统使其间断工作，可抑制发光管发热，寿命将延长一倍。(半导体光源的损坏一般由三种原因引起，即内部损坏（如P-N结损坏），接触损坏（如引线断掉）和光学谐振端面的损坏（如光纤碰角或端面污染引起）。前两种为发光二极管和激光二极管所共有，而后一种损坏却是激光二极管所独有的，由于这一因素而大大降低了激光二极管使用寿命。) 6)可靠耐用:没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。,20,7)应用灵活:体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。 形状的自由度大 一个LED光源是由许多单个LED发光管组合而成的，因而比其他光源可做成更多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。 可自由的选择颜色 如何利用光源颜色的技术特性得到最佳对比度的图像效果一直是光源开发的主要方向。目前LED发光管的主要颜色是:红、蓝、绿、白。,21,8)应答速度快 LED发光管响应时间很短，响应时间的真正意义是能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。 9)绿色环保:废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞成分。,没有谐振腔； 没有阈值，输出功率基本上与注入电流成正比,23,3.5.3 LED在制作和使用中存在的问题,1.光通量低、价格高 单个LED：1W-25lm-2050元（最常用的是5MW，0.x元 ） 单个白炽灯：60W- 700lm - 0.x-x元 2.显色性差 白光LED：蓝光+黄光 （色温偏高、显色指数偏低） 3.光衰问题 LED芯片自身光衰+荧光粉及封装材料劣化 （光通量下降速度变快，LED寿命缩短） 4.发热问题 LED芯片1mm*1mm，电流密度大。阵列LED密集度大，应加强散热，导致LED灯具的外形结构设计难度增大。 5.光学系统问题 光能的利用和照度均匀性问题。,24,LED的应用,应用一：显示屏是LED主要应用市场，全彩显示屏增势强劲。,25,贴片式SMD,中功率LED,应用二：小尺寸背光源市场放缓，中大尺寸将成为新关注点。,26,应用三：汽车车灯市场潜力大。,27,应用四：室内装饰灯市场逐步启动，交通灯市场进入平稳增长期。,28,应用五：景观照明市场快速发展，2007年市场增速达到高峰。,29,应用六：通用照明市场路漫漫，任重而道远。,半导体的能带结构,a.半导体的能带：,对半导体来说，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带，最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙，带隙宽度用Eg 表示它代表价带顶和导带底的能量间隙。,对于本征半导体在绝对零度没有激发的情况下，价带被电子填满，导带没有电子。在一般温度，由于热激发，有少量电子从价带跃迁到导带，使导带有少量电子，而在价带留下少量空穴,这种激发我们称之为本征激发。半导体的导电就是依靠导带底的少量电子和价带顶的少量空穴。,b.半导体的光吸收,光照可以激发价带的电子到导带，形成电子空穴对，这个过程称为本征光吸收，本征光吸收光子的能量 应满足,或,其中 为光波的波长，上式表明，存在有长波限,称为本征吸收边,在本征吸收边附近的光跃迁有两种类型：,（a):第一种类型对应于导带底和价带顶在k 空间相同点的情况，如图(a)所示。电子吸收光子自价带k 状态跃迁到导带k状态时除了满足能量守恒以外，还必须符合准动量守恒的选择定则，即,具有这种带隙结构的半导体称为直接带隙半导体,在讨论本征吸收时，光子的动量可以略去，因为本征吸收光子的波矢为10 cm-1，而在能带论中布里渊区的尺度为2 /晶格常数，数量级是10 cm-1，因此本征光吸收中，因此光吸收的跃迁选择定则可以近似写成,这就是说，在跃迁过程中，波矢可以看做是不变的，在能带的E(k)图上，初态和末态几乎在同一条竖直线上，这样的跃迁常称为竖直跃迁。,(b)：第二种类型对应于导带底和价带顶在k 空间不同点的情况，如图(b)所示：这时在本征吸收边附近的光吸收过程是所谓非竖直跃迁，在这种情况下，单纯吸收光子不能使电子由价带顶跃迁到导带底，必须在吸收光子的同时伴随有吸收或发射一个声子。能量守恒关系为： 电子能量差 光子能量 ± 声子能量,具有这种带隙结构的半导体称为间接带隙半导体,但是声子能量是较小的，数量级为百分之几电子伏以下，因此近似的有 电子能量差 光子能量,而准动量守恒的跃迁选择定则为,其中q 为声子的准动量，它与能带中电子的准动量相仿，略去光子动量，有,结论：,（）在非竖直跃迁中，光子主要提供跃迁所需要的能量，而声子则主要提供跃迁所需要的准动量,（）与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率要小得多,（）由于与光吸收情况相同的原因，在直接带隙半导体中这种发光的几率远大于间接带隙半导体,c电子空穴复合发光：,考虑一个与半导体的光吸收相反的过程，导带中的电子可以跃迁到价带空能级而发射光子，这称为电子空穴复合发光。,复合发光的特点：,（）一般情况下电子集中在导带底，空穴集中在价带顶，发射光子的能量基本上等于带隙宽度,制作复合发光的发光器件（一般要用直接带隙半导体。发光的颜色取决于半导体的带隙宽度）,应用：,