《LED技术原理》课件2

技术原理概述LED欢迎大家参加本次关于技术原理的课程，即发光二极管，作为一LED LED种高效、节能、环保的新型光源，正日益广泛地应用于各个领域本次课程旨在全面、深入地讲解技术的基本概念、工作原理、制造工艺、封装技LED术、驱动技术以及应用领域，帮助大家系统地掌握相关知识，为未来的LED学习和工作打下坚实的基础课程目标与学习要点课程目标1了解的基本概念、发展历史和重要特性；掌握的工作原理、LED LED制造工艺和封装技术；熟悉驱动技术、品质控制和应用领域；分LED析产业链，把握市场发展趋势LED学习要点2半导体物理基础、结原理、复合发光原理；芯片制造工艺流P-N LED程和关键技术；各种封装技术的特点和应用；恒流驱动、调LED PWM光等驱动技术；品质控制方法和可靠性测试；在照明、LED LED LED显示、汽车等领域的应用目录和课程结构第一部分基础知第二部分制造与第三部分驱动与第四部分应用与LED LED LED LED识封装控制发展的基本概念、发展历史芯片制造工艺、封驱动技术、驱动电路设应用领域、产业链分析LED LED LED LED LED、基本结构、工作原理、主装技术、散热设计、光学设计、品质控制、可靠性、市场发展趋势、技术发展LED要特性参数等计等测试等方向等的发展历史LED早期探索阶段1世纪初，科学家们开始研究半导体材料的发光现象，20为的诞生奠定了基础LED诞生阶段LED2年，美国通用电气公司的研究人员首次研制出红光1962，标志着技术的正式诞生LED LED技术突破阶段3世纪年代，科学家们成功研制出黄光和绿光，2070LED的应用范围逐渐扩大LED高亮度阶段LED4世纪年代，蓝光的问世，实现了红、绿、蓝三2090LED基色的全覆盖，为白光的研发奠定了基础LED应用普及阶段5进入世纪，技术不断成熟，成本逐渐降低，开始21LED广泛应用于照明、显示、汽车等领域早期发明LED年亨利约瑟夫拉德年代奥列格洛谢夫1907··1920·英国科学家亨利约瑟夫拉德观苏联科学家奥列格洛谢夫系统地···察到碳化硅晶体在通电时会发光研究了半导体发光现象，并发表，这是最早的发光现象记录了相关论文，但当时并未引起广LED泛重视年尼克何伦亚克1962·美国通用电气公司的尼克何伦亚克研制出第一颗可见光（红光），·LED被誉为之父“LED”技术重要里程碑LED年1962尼克何伦亚克发明第一颗红光·LED年1972发明第一颗黄光M.George CrafordLED年1976发明第一颗高亮度T.P.Pearsall LED年1993中村修二发明高亮度蓝光，为白光的实现奠定了基础LED LED的基本概念LED，即发光二极管（），是一种能够将电能直接转化LED LightEmitting Diode为光能的半导体器件它基于半导体材料的结，通过注入电流，使电子与P-N空穴复合，从而释放能量并发出光子具有体积小、寿命长、效率高、LED响应快、节能环保等优点，被誉为绿色照明光源“”半导体物理基础晶体结构能带理论掺杂半导体材料通常具有规则的晶体结构，能带理论是描述半导体电子行为的重要通过在半导体材料中掺入杂质原子，可如硅、锗、砷化镓等晶体结构的周期理论它将电子的能量状态分为价带、以改变其导电类型和载流子浓度，从而性排列决定了半导体的物理性质导带和禁带，电子的跃迁决定了半导体形成型半导体和型半导体P N的导电性和发光特性结原理P-N结是由型半导体和型半导体紧密结合形成的在结界面，由于载流P-N P N P-N子浓度差，会发生扩散运动，形成空间电荷区和内建电场当施加正向偏置电压时，空间电荷区变窄，载流子容易通过，形成电流；当施加反向偏置电压时，空间电荷区变宽，载流子难以通过，电流很小结的单向导电性是P-N工作的基础LED能带理论简介价带导带价带是半导体中电子占据的最高导带是半导体中电子可以自由移能量带，其中的电子通常难以移动的能量带，其中的电子可以参动，对导电性贡献较小与导电过程禁带禁带是价带和导带之间的能量间隔，电子要从价带跃迁到导带需要克服禁带宽度所对应的能量载流子运动漂移运动扩散运动载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动，漂移速度与电场载流子在浓度梯度作用下的运动称为扩散运动，扩散速度与浓度强度成正比梯度成正比在半导体中，载流子同时受到电场和浓度梯度的作用，因此会同时发生漂移运动和扩散运动这两种运动是半导体器件工作的基础复合发光原理当电子从导带跃迁到价带，与空穴复合时，会释放能量如果释放的能量以光子的形式发出，就实现了发光的发光颜色取决于半导体材料的禁带LED宽度，禁带宽度越大，发出的光子能量越高，波长越短（例如，蓝光的LED禁带宽度大于红光）LED的基本结构LED芯片电极封装123的核心部件，由型半导体、用于连接芯片和外部电路，提供电保护芯片免受环境影响，并提供散LED PN型半导体和发光层组成流通路热和光学特性芯片结构详解衬底外延层电极支撑芯片的基底材料，常用的衬底通过外延生长技术在衬底上生长的一系分别与型层和型层连接，用于注入电LED PN材料有蓝宝石、碳化硅、氮化镓等列半导体薄膜，包括型层、型层和发流PN光层封装结构分析封装封装SMD COB表面贴装器件封装，体积小、易芯片直接封装在基板上，散热性于自动化生产，广泛应用于各种能好、光效高，适用于高功率照照明和显示领域明应用直插式封装引脚直接插入电路板，可靠性高，但体积较大，逐渐被封装取代SMD基本工作原理施加正向偏置载流子注入复合发光在两端施加正向电压，使结导电子从型区注入到型区，空穴从型注入的电子和空穴在发光层复合，释放LED P-N N P P通区注入到型区能量并发出光子N正向偏置当在两端施加正向电压时，结的耗尽层变窄，内建电场减弱，电子和LED P-N空穴更容易通过结当电压超过一定阈值（开启电压）时，开始导通P-N LED，电流迅速增大，并发出光反向偏置当在两端施加反向电压时，结的耗尽层变宽，内建电场增强，电子和空穴难以通过结，因此只有很小的反向漏电流当反LED P-NP-N向电压超过一定值（击穿电压）时，结会被击穿，导致损坏P-N LED的主要特性参数LED光通量发光效率色温发出的光的总量，将电能转化为光能描述光源颜色的参数，LED LED单位为流明（）的效率，单位为流明瓦单位为开尔文（）lm/K（）lm/W光谱特性发出的光的波长分LED布光通量光通量是描述光源发光强弱的物理量，表示单位时间内光源发出的光的总量光通量越大，光源越亮的光通量是衡量其照明能力的重要指标，也LED是选择灯具的重要参考因素光通量通常用积分球来测量LED发光效率发光效率是衡量节能性能的重要指标，表示将电能转化为光能的效LED LED率发光效率越高，在相同电能消耗下发出的光越多，节能效果越好LED提高的发光效率是技术发展的重要方向之一LED LED色温与显色指数色温显色指数色温描述光源的颜色，单位为开尔文（）低色温的光偏黄，显色指数（）描述光源对物体颜色的还原程度，取值范围为K CRI高色温的光偏蓝常见的色温有暖白光（）、自显色指数越高，光源对物体颜色的还原程度越好高质2700K-3200K0-100然光（）和冷白光（）量的灯具通常具有较高的显色指数4000K-4500K6000K-6500K LED光谱特性光谱特性是指发出的光的波长分布不同的材料和结构会产生不同LED LED的光谱特性例如，白光的光谱通常由蓝光芯片激发黄色荧光粉产生，LED其光谱包含蓝光和黄光成分的光谱特性直接影响其颜色和显色性LED电气特性正向电压正向电流反向漏电流正常工作所需的正向电压，不同正常工作时的正向电流，过大的在反向电压下的漏电流，理想情LED LED LED颜色的具有不同的正向电压电流会导致损坏况下应尽可能小LED LED芯片制造工艺LED外延生长在衬底上生长半导体薄膜光刻将电路图案转移到半导体薄膜上蒸镀在半导体薄膜上蒸镀金属电极刻蚀去除不需要的半导体薄膜切割将晶圆切割成独立的芯片LED外延生长技术外延生长是指在衬底上生长一层或多层具有特定晶体结构和化学成分的半导体薄膜常用的外延生长技术有金属有机化学气相沉积（）和分子束MOCVD外延（）外延生长的质量直接影响芯片的光电性能MBE LED光刻工艺光刻工艺是将电路图案从掩模版转移到半导体薄膜上的过程它包括涂胶、曝光、显影、刻蚀等步骤光刻工艺的精度直接影响芯片的尺寸和性能LED蒸镀工艺蒸镀工艺是指在真空条件下，将金属材料加热蒸发，使其沉积在半导体薄膜表面，形成金属电极常用的蒸镀方法有热蒸发、溅射等蒸镀工艺的质量直接影响芯片的导电性和可靠性LED刻蚀工艺刻蚀工艺是指利用化学或物理方法去除不需要的半导体薄膜常用的刻蚀方法有湿法刻蚀和干法刻蚀刻蚀工艺的精度直接影响LED芯片的图形和性能切割工艺切割工艺是指将完成所有制造工序的晶圆切割成独立的芯片常用的切LED割方法有机械切割和激光切割切割工艺的质量直接影响芯片的良率和LED可靠性封装技术LED芯片贴装引线键合12将芯片固定在封装支架上将芯片上的电极与封装支架上LED的引脚连接起来封装成型3用环氧树脂或其他材料将芯片和引线封装起来封装SMD（）封装是一种表面贴装器件封装，具有体SMD SurfaceMounted Devices积小、易于自动化生产等优点广泛应用于各种照明和显示领域，SMD LED如灯条、显示屏等LED LED封装COB（）封装是一种芯片直接封装在基板上的技术，具有散COB ChipOn Board热性能好、光效高等优点适用于高功率照明应用，如路灯、COB LED LED投光灯等LED支架封装支架封装是指将芯片固定在金属支架上，然后用环氧树脂或其他材料封LED装起来支架封装具有可靠性高、散热性能好等优点，但体积较大，逐渐被封装和封装取代SMD COB散热设计在工作过程中会产生大量的热，如果不能及时散热，会导致芯片温度升高，影响其光电性能和寿命因此，散热设计是LED LED LED封装的重要环节常用的散热方法有自然散热、强制风冷、热管散热等光学设计光学设计是指通过设计透镜、反射器等光学元件，改变的光输出特性，LED使其满足特定的应用需求例如，通过设计透镜可以改变的光束角，提LED高其光强驱动技术LED驱动技术是指为提供合适的电流和电压，使其正常工作的驱LED LED LED动方式有恒流驱动和恒压驱动由于对电流变化非常敏感，因此通常采LED用恒流驱动方式恒流驱动原理恒流驱动是指驱动电路能够为提供稳定的电流，不受输入电压和正向电压变化的影响恒流驱动可以保证的亮度稳定，LED LED LED并延长其寿命调光技术PWM（）调光是一种通过改变脉冲宽度来调节PWM PulseWidth ModulationLED亮度的方法调光具有调光范围广、精度高等优点，广泛应用于各种PWM照明和显示领域LED线性调光技术线性调光是一种通过改变电流来调节亮度的方法线性调光电路简LED LED单、成本低，但调光范围较窄，精度较低，适用于对调光要求不高的场合驱动电路设计驱动电路设计需要考虑的电气特性、应用需求、成本等因素一个LED LED好的驱动电路应该具有以下特点恒流输出、高效率、高可靠性、低成LED本等品质控制LED来料检验过程控制12对芯片、封装材料等进行对制造过程中的各个环节LED LED检验，确保其符合质量标准进行监控，及时发现和纠正问题成品检验3对成品进行检验，确保其符合性能指标LED可靠性测试LED高温存储测试湿热测试冷热冲击测试在高温度环境下存储在高湿度、高温度环境在高温和低温之间快速，测试其性能稳定下测试的耐湿热性切换，测试的耐冷LED LED LED性能热冲击性能光电性能测试光电性能测试是品质控制的重要环节，包括光通量、发光效率、色温、显色指数、光谱特性等参数的测试通过光电性能测试可LED以评估的光电性能是否符合要求LED热性能测试热性能测试是评估散热性能的重要手段，包括结温、热阻等参数的测试LED通过热性能测试可以评估的散热设计是否合理，是否能够保证芯LED LED片的正常工作温度寿命测试寿命测试是评估可靠性的重要方法，通过在高温度、高湿度、大电流等LED恶劣条件下长期运行，加速其老化，评估其寿命的寿命通常用LED LEDL70寿命表示，即光通量衰减到初始值的的时间70%应用领域LED室内照明户外照明显示屏灯泡、灯管、路灯、景观灯显示屏、背光LED LEDLEDLEDLEDLED面板灯等、隧道灯等源等LEDLED汽车照明车灯、仪表盘LEDLED等室内照明应用灯泡灯管面板灯LEDLEDLED替代传统白炽灯泡，节能环保、寿命长替代传统荧光灯管，光效高、无频闪均匀发光、美观大方，适用于办公室、商场等场所户外照明应用路灯景观灯隧道灯LEDLEDLED节能高效、亮度高、寿命长，是城市色彩丰富、造型多样，用于城市景观亮度高、穿透力强，用于隧道照明，道路照明的首选照明，提升城市形象提高行车安全显示屏应用显示屏LED亮度高、视角广、色彩鲜艳，用于广告宣传、信息发布等背光源LED亮度均匀、色彩还原性好，用于液晶显示器、电视等汽车照明车灯仪表盘LEDLED亮度高、响应快、寿命长，提高行车安全亮度可调、色彩鲜艳，提供清晰的信息显示医疗照明医疗照明具有无辐射、低热量、显色性好等优点，广泛应用于手术室照LED明、内窥镜照明、牙科照明等领域植物照明植物生长灯可以根据植物的生长需求调节光谱，提高植物的光合作用效LED率，促进植物生长，广泛应用于温室、植物工厂等场所产业链分析LED下游应用1中游制造2上游材料3上游材料衬底材料外延片蓝宝石、碳化硅、氮化镓等由外延生长技术在衬底上生长的一系列半导体薄膜封装材料环氧树脂、硅胶、金属支架等中游制造芯片制造外延生长、光刻、蒸镀、刻蚀、切割等封装芯片贴装、引线键合、封装成型等下游应用照明显示汽车下游应用包括各种照明产品（如灯泡、灯管、路灯等）、显示产品（如显示屏、背光源等）以及汽车照明等LEDLEDLED市场发展趋势随着技术的不断进步和成本的持续下降，市场呈现出快速增长的趋LEDLED势未来，市场将继续扩大，尤其是在照明、显示、汽车等领域具有广LED阔的发展前景技术发展方向高光效高可靠性12提高的光电转换效率，降提高的寿命和稳定性，降LEDLED低能耗低维护成本智能化3实现的智能控制和调光，提高照明质量LED未来，技术将朝着高光效、高可靠性、智能化等方向发展，以满足不断LED增长的市场需求与其他光源对比LED白炽灯荧光灯LED节能、寿命长、体积小、环保耗能高、寿命短、发热量大含汞、有频闪、寿命较短与传统光源相比，具有显著的优势，是未来照明领域的主流选择LED。