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2020/2/61LED照明基础2020/2/62LED照明基础•内容简介LED的发展史LED的现况LED的特性LED在产品设计2020/2/63什么是LED•LED的全称LightEmittingDiode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。2020/2/64照明发展史2020/2/65LED的发展史•1907年HenryJosephRound第一次观察到场致发光现象。•1936年GeorgeDestiau第一场使用场致发光这个术语。•60年代初，试验中，LED需要置放在液化氮中•第一个商业LED仅仅只能发出不可见的红外线，但是迅速应用于感光与光电领域。•60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED•70年代中，采用双层磷化稼能够发出黄色光。•70年代末，LED出现绿色光。•90年代中，LED最终出现蓝色光。•90年代末白光的LED开发成功•目前LED已经可以发出紫外光。•除此以外，LED的光通量也在与日俱增，最新的实验室数据是186lm/W2020/2/66LED发展计划050100150200200420062008201020122014201620182020YearEfficacy(lm/W)LaboratoryProjection-CoolWhiteCommercialProductProjection-CoolWhiteCommercialProductProjection-WarmWhiteLaboratory-CoolWhiteCommercialProduct-CoolWhiteCommercialProduct-WarmWhiteMaximumEfficacy-WarmWhiteMaximumEfficacy-CoolWhite2020/2/67LED发展计划美国LED行业的预测2020/2/68LED发展计划世界各国政府LED发展计划2020/2/69LED优点•高光效高节能•光源方向性好•光色多•安全性高环保•寿命长•光源快速响应•灯具结构合理•运行成本低2020/2/610LED优点2020/2/611LED同几种光源的比较名称耗电量（W）工作电压（v）协调控制发热量可靠性使用寿命（h）金属卤素灯100220不易极高低3000霓虹灯500较高高高宜室内3000镁氖灯16W/m220较好较高较好6000日光灯4-100220不易较高低5000-8000冷阴极15W/m需逆变较好较低较好10000钨丝灯15-200220不宜高低3000节能灯3-150220不宜调光低低5000LED灯极低直流12-36V多种形式极低极高100000LED光源在性能方面远远优于其他光源！！！2020/2/612LED同几种光源的比较2020/2/613LED分类•LED按照发光颜色分类•红光•橙光•绿光•蓝光•白光红光橙光绿光蓝光统称为色光，主要应用在指示或装饰方面白光又可细分为暖白中性白冷白。白光是我们照明行业主要用到的光源。2020/2/6142020/2/615白光LED产生----单芯片•InGaN(蓝)/YAG荧光粉这是一种目前较为成熟的产品。这些产品采用芯片倒装结构,提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进,可将色均匀性提高10倍。实验证明,电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移,但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好。•InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉色温可达到3000K-6000K,Ra达到82-87,。•InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉此类白光LED,其Ra大于等于90,但发光效率还不够理想2020/2/616白光LED产生----单芯片2020/2/617白光LED产生----单芯片2020/2/618白光LED产生----双芯片•双芯片可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成,此种器件成本比较便宜,但由于是两种颜色LED形成的白光,显色性较差,只能在显色性要求不高的场合使用。2020/2/619白光LED产生----多芯片•(蓝色+绿色+红色)LED这种通过RGB方法合成白光这种方法主要的问题是绿光的转换效率底，所以总体的效率不高。同时三种颜色的LED的正向电压和光输出不同，两外它们的温度特性和光维持特性也不相同，因而对电路的要求也比较高。2020/2/620白光LED产生----多芯片2020/2/621LED常用词汇总结•1.光通量φ：发光体每秒钟所发出的光量的总和。单位：流明（Lm），表示发光体发光的多少，发光愈多流明数愈大。•2.光强I：发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量。单位：坎德拉（cd）。•3.照度E：发光体照射在被照物体单位面积上的光通量。单位：勒克斯（Lux）=流明Lm/面积m2。•4.亮度L：发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量。单位：尼脱（mcd）。•5.光效：电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示。单位：每瓦流明（Lm/w）。•6.平均寿命：指一批灯至50%的数量损坏时的小时数。单位：小时（h）。2020/2/622LED常用词汇总结•7.经济寿命：在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。室外的光源为70%，室内的光源为80%。•8.色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。光源色温不同，光色也不同，色温在3000k以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000k-5000k为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000k以上有冷的感觉。单位：K。•9.显色性：光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳能）照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性。要正确表现物体本来的颜色需使用显色指数高的光源。单位：Ra。•10.眩光：视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。2020/2/623LED特性•LED的电学特性•LED的光学特性•LED的热特性2020/2/624LED电特性•LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。•LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。•通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。2020/2/625LED电特性•I-V特性是LED芯片性能主要参数。•I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。•（1）正向死区•（2）正向工作区•（3）反向死区。•（4）反向击穿区正向死区图I-V特性曲线反向死区击穿区IRIVR0IF工作区VFV′′2020/2/626LED电特性•C-V特性LED的芯片pn结面积大小不一，使其结电容也不一•C-V特性呈现二次函数关系是电容与电压的关系•最大允许功耗PFm•响应时间是LED点亮与熄灭所延迟的时间。•响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。•LED点亮时间——指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。•LED熄灭时间——指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。•不同材料制得的LED响应时间各不相同2020/2/627LED光特性•发光强度是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。•发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。•发光强度的角分布θ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺，透镜的材料，透镜的曲率，芯片周围的反光杯。2020/2/628LED光特性图2指向性弱（2θ1/2大）2020/2/629LED光特性•发光峰值波长及其光谱分布•LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布等。单色LED的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光LED的光谱由多种单色光谱合成。•LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示，而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数。•LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。•LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。2020/2/630LED光特性•发光峰值波长及其光谱分布•如图•1蓝光InGaN/GaN发光谱峰λp=460～465nm•2绿光GaP:N发光谱峰λp=550nm•3红光GaP:Zn-O发光谱峰λp=680～700nm•4红外GaAs发光谱峰λp=910nm•5Si光敏光电管通常作光电接收用•6标准钨丝灯人眼感光2020/2/631LED光特性•峰值波长：无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。•谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。•主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。2020/2/632LED的光学特性——中心波长峰值波长质心波长2020/2/633LED光特性•光通量是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。•光通量为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。•随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明（lm）。•LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。2020/2/634总光通量的测量——积分球法•积分球法使用积分球将使LED总通量的测量更加简单。带有两个入射孔和一个于探测器的出射孔的积分测量可对待测LED的自吸进行修正。2020/2/6352020/2/636LED光特性•发光效率•LED效率有两种内部效率：pn结附近由电能转化成光能的效率。内部效率只用来分析和评价芯片优劣的特性外部效率：辐射到外部的效率。•发光效率：辐射出光能量（发光量）与输入电能之比量子效率η=发射的光子数/pn结载流子数•流明效率：LED的光通量/外加耗电功率•流明效率是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。•理论计算中，最大的流明下来率为628lm/W。同此相比，LED未来的发展前景很广阔。2020/2/637LED光特性几种常见色光的效率对比LEDλp材料可见光发光效率（lm/w）外量子效率发光颜色（nm）最高值平均值红光700GaP:Zn-O2.4121~3660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黄光590GaP:N-N0.450.1绿光555GaP:N4.20.70.015~0.15蓝光465GaN10白光谱带GaN+YAG小芯片1.6大芯片182020/2/638LED光特性•品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要