1、教学内容： 6-1 发光二极管的基本工作原理与特性,第6章 发光器件与光电耦合器件,教学基本要求：,一 掌握发光二极管的工作原理与特性。,二 掌握发光二极管的几种主要驱动电路。,发光 物体向外发射出可见光的现象。 由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射 物体在特定环境下受外界能量激发辐射。激发辐射的光源常被称为冷光源。,光源,热辐射光源,气体放电光源,固体发光光源,激光器,太阳,白炽灯、卤钨灯,黑体辐射器,汞灯,荧光灯,钠灯,氙灯,金属卤化物灯,空心阴极灯,场致发光灯,发光二极管,气体激光器,固体激光器,染料激光器,半导体激光器,温度辐射,发光,光致发光 阴极射线发光 放射线发光 电致发光 注
2、入式电发光,全彩色LED电子显示屏,三星LED光源DLP背投电视,LED的优点 发光(能量转换)效率高白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦、荧光灯50-70流明/瓦、钠灯90-140流明/瓦； LED：50-200流明/瓦，而且发光的单色性好，光谱窄，无需过滤，可直接发出有色可见光。 反应(开关)时间快 可以达到很高的闪烁频率。 使用寿命长 达35,000 50,000小时，日光灯为10,000 15,000小时，白炽灯为1,000 2,000小时。 耐震荡等机械冲击 由于是固态元件，相对日光灯、白炽灯等能承受更大震荡。,体积小 其本身体积可以造得非常细小(小于2mm)。 便于聚焦 因发光体
3、积细小，易于而以透镜等方式达致所需集散程度，藉改变其封装外形，方向性从大角度的散射以至集中于细角度都可以达到。 多种颜色 能在不加滤光器下提供多种不同颜色，而且单色性强。 色域丰富 LED覆盖色域较其他光源广。,高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料； 超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料； 普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。,白光LED的开发 1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。 GaN芯片发蓝光（p=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的
4、YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。,1 蓝色LED InGaN/YAG InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光 2 蓝色LED 黄绿LED InGaN、GaP 将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED 3 蓝色LED 绿色LED 红色LED InGaN AlInGaP 将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED多个 多种光色的LED InGaN、GaP AlInGaP 将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED,6.1 发光二极管的基本工作原理与特性 6.1.1 发光二极管的发光机理 发光二极管（LED） 注入电致发光器件 发光机理：PN结注入
5、发光异质结注入发光,1. PN结注入发光,2. 异质结注入发光 为了提高载流子注入效率，采用异质结。,空穴就不断向n区扩散。,对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。 禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区。,n区所发射的光子能量hv比EG2 小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。,6.1.2 基本结构 圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。 1.面发光二极管,波长0.80.9m双异质结GaAsAlGaAs面发光型LED的结构。它的有源发光区是圆形平面，直径约为50m，厚度小于2.5m。,2. 边发光二极管 波长1.3m的双异质结InGaAsPInP边发光型LED
6、的结构。它的核心部分是一个N型AlGaAs有源层，两边的P型AIGaAs和N型AIGaAs导光层(限制层)。,导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高。 有源层射出光的端面宽度通常为5070m，长度为100150m。,6.1.3 LED的特性参数 1.发光光谱和发光效率 发光光谱LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。,描述光谱分布的两个主要参量： 峰值波长峰值波长由材料的禁带宽度决定。 发光强度的半宽度1/2峰值光强所对应两波长之间隔。,峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带
7、波长以0.20.3nm/的比例向长波方向移动。 发光效率发光二极管发射的光通量与输入电能之比，单位lm/W；发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。,复合率辐射复合 电子和空穴复合时释放一定的能量，如果能量以光子的形式放出，这种复合称为辐射复合。 辐射复合率与1/r成正比。无辐射复合 将电子和空穴复合释放的能量转变为热能。 无辐射复合率为1/rn 内部量子效率 pn结附近由电能转化成光能的效率.用来分析和评价芯片优劣的特性.,neo为每秒发射出的光子数 ni为每秒注入到器件的电子数 r是辐射复合的载流子寿命 nr是无辐射复合的载流子寿命 注：只有nrr，才能获得有效的光子发射。,外部量子效率
8、ex 将单位时间发射到外部的光子数nex除以单位时间内注入到器件的电子-空穴对数nin定义为外部量子效率ex,GaAsin可接近100ex很小； GaPZn-O红光ex最高为15； GaPN绿光ex约为0.7; GaAs0.6P0.4红光ex约为0.4； In0.32Ga0.68PTe，Zn红外光ex约为 0.1。,提高外部量子效率的措施：用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2 =1.55）涂敷在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。,响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，tr、tf值很小，可忽略. 点亮时间上升时间tr；熄
9、灭时间下降时间tf。 GaAs、GaAsP、GaAlAs 响应时间10-9S; GaP 10-7S。 它们可用在10100MHZ高频系统。,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。,2. 时间响应特性与温度特性 发光二极管的时间响应快，短于1s;,发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。,3. 发光亮度与电流的关系 发光亮度L是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度L与电子扩散电流idn之间的关系:,是载流子辐射复合寿命r和非辐射复合寿命nr的函数,亮度与环境温度有关，环境温度升高，复合效率下降，亮度减小。当环境温度不变，电流增大pn结结温升高，温升后
10、，亮度呈饱和状态。,4. 最大工作电流 若工作电流较小，LED发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。,随着发光管电流密度的增加，pn结的温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。,最大允许功耗Pmax当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UFIF 若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当TjTa时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率）P=KT（TjTa）。 若发光二极管的最大容许功耗为Pmax，则发光管最大容许的工作电流,5. 伏安特性 与普通二极管的伏安特性大致相同。 正向电流与电压的关系iioexp(U/
11、mkT) m：复合因子,开启电压：GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。,6. 寿命 寿命 亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。 LED的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最长可达109h。 测量方法：给LED 通以一定恒流源，点燃103 104 小时后，先后测得BO ，Bt，代入Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO 代入，可求出寿命t。 老化 随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。电流密度的加大，老化变快，寿命变短。,7. 光强分布 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量
12、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I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（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）,当前几种常用封装的散射角(21/2 角)圆形LED：5、10、30、45。,6.1.4 驱动电路,LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。 LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱
13、动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。,(a) 电压源与镇流电阻,(b) 电流源与镇流电阻,(c) 多路电流源,(d) 一路电流源驱动串联LED,DCDC升压稳压IC （IV0104） 主要特性指标 输入电压范围：1.0V4.5V 输出电压范围：2.25.5V 在0.95V以下低压自锁（UVLO） 100mV反馈输入可调整恒流输出控制方式PFMPWM 最大输出电流750mA 输出电流精度5 90以上的转换效率消除电感震荡技术过流过压保护采用SOP8LDFNTSSOP封装工作温度范围：-40-85。,教学内容： 6-1 发光二极管的基本工作原理与特性,教学基本要求：,一 掌握发光二极管的工作原理与特性。,二 掌握发光二极管的几种主要驱动电路。,作业：6-1，6-2 补充：如何提高LED外部量子效率？,
