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LED100问与答
半导体照明(LED)
百题问答
上海市光电子行业协会
二OO五年二月
1、光的本质是什么,物体发光有哪几种方式?
4
2、谓电致发光?
半导体发光为何属冷光?
5
4、简单介绍一下LED的发展历史好吗?
5
5、请问照明光源的基本种类与主要性能有哪些?
6
6、如何描述LED的基本特性?
6
7、传统光源相比,LED光源有哪些优点?
8
9、何谓绿色照明光源?
它有哪些特点?
8
10、为什么说21世纪将迎来照明产业自爱迪生发明白炽灯以来又一次产业革命?
9
12、哪些产业是LED产业链的构成部分?
10
18、当前我国LED产品与国际先进相比,主要差距在哪里?
10
19.LED的发光源是——PN结,是如何制成的?
哪些是常用来制造LED的半导体材料?
11
22、当前生产超高亮LED的外延方法主要有几种?
什么是MOCVD?
11
27、请可否能深入浅出地介绍一下LED芯片的制造流程。
12
29、通过哪些芯片制造过程中的工艺技术措施,可以提高芯片发光强度与出光效率?
13
30、LED的芯片为什么要分成诸如8mil,9mil…13至22mil,40mil等不同的尺寸?
尺寸大小对LED光电特性有哪能些影响?
15
34、请介绍一下“透明电极”芯片的结构与它的特点?
16
35、什么是“倒装装芯片”(FlipChip)?
它的结构如何?
它有哪些优点?
16
36、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么?
17
37、LED芯片封装成发光二极管一般可以分成哪几种形式?
他们在结构上各有什么不同?
17
38、LED芯片封装成器件一般的制造程是什么?
18
39、为什么要将芯片进行封装?
封装后的器件比裸芯在性能上有什么不同?
18
41、何谓“一次光学设计”?
LED封装中有哪几种出光透镜?
他们有何特点?
19
42、大功率LED的封装形式目前常见的有哪几种?
他们各自有哪些异同?
20
46、能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺?
20
48、白光LED是通过哪些方法来实现的?
21
49.当前制造白光LED的主流方法是什么?
22
50.白光LED当前具有代表性的产品的水平如何?
22
51.什么是色温?
什么是显色指数?
22
52.照明领域对白光LED的光电性能有哪些基本要求?
23
54.LED光源取代传统光源从目前来看还需克服哪些障碍和基本技术关键?
23
55.白光LED的光谱与单色光(红、黄、蓝、紫等)的光谱有些什么区别?
25
56.为什么用太阳能电池与白光LED组合的照明系统被称为“真正的绿色照明”系统?
26
59.什么是LED的内量子效率?
不同的发光波长,假定内量子效率达100%,其电-光效率有何不同?
26
60、LEDPN结有源层发出的光子能否100%逸出到空气中?
27
62、能否简述一下提高LED芯片电一光转换效率的意义何在?
28
63、衡量LED器件光电转换优劣的参数主要有哪些?
29
64、单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同?
30
65、什么是人眼对光的视觉函数?
31
66、人眼对光的视觉函数这一特点对我们了解LED有什么作用?
32
67、为什么一个蓝光LED在涂上特殊的荧光粉构成白光LED后,其辐射光通量会比蓝光的高出几倍基至十几倍?
32
68、LED在照明应用中,往往要知道这个LED的照度是多少,请问照度的定义是什么?
知道了这个LED的辐射光通量,能否求出它的照度?
33
70、请问LED光通量φ与发光强度即光强是否能相互转换?
34
71、LED的发光强度Iv与照度E之间如何进行换算?
34
72、为什么说用积分球来测量LED的光通量时,可以认为:
在积分球内表面任一点位置上得到的由另一部分反射出的照度,不受点的位置的影响?
35
73、为什么LEDPN结上温度升高会引起它的光电参数退化?
36
75、衡量LED长期使用性能退化的主要指标是什么?
36
76、什么是LED的结温,它是如何产生的?
37
77、简述结温对LED光输出的影响38
79.当结温上升时,LED的发光波长与颜色如何变化?
39
80.简述什么是热阻?
它的定义和单位是什么?
40
81.LEDPN结上最高结温的含义是什么?
40
82.试述LED器件的热阻模型,它由哪些部分构成?
各有什么特点?
41
83.为什么说提高光效可降低结温,试述提高光效的主要途径42
84.试述热阻在功率LED光源应用中的作用43
85、如何减小LED的热阻值44
86.请简单介绍一下目前常用的热阻测试方法:
45
87.何谓功率型LED,请介绍一下它的发展概况:
46
90.LED工作时,较好的驱动方法是什么方法?
47
91.有哪些常用的恒流驱动LED的方法?
请作简单介绍。
48
93.如何实现LED的调光、调色?
请举一简单例子说明。
50
94、LED的“寿命”是什么样一种概念?
什么是“浴盆”曲线?
52
95、LED失效的判据是什么?
失效率又如何?
54
98、是否可以通过试验来剔除早期失效的LED?
54
99、什么是静电破坏?
哪些类型的LED容易受静电破坏导致失效?
55
101、从哪些方面着手改进和注意可以提高LED在应用中的可靠性,降低失效率?
56
102、LED要进入照明领域还存在哪些问题,还要做哪些工作?
57
1、光的本质是什么,物体发光有哪几种方式?
光是一种能量的形态,它可以从一个物体传播到另一个物体,其中无需任何物质作媒介。
通常将这种能量的传递方式谓之辐射,其含义是能量从能源出发沿直线(在同一介质内)向四面八方传播。
关于光的本质,早在十七世纪中叶就被牛顿与麦克斯韦分别以“微粒说”、“波动说”进行了详细探讨,并成为当前所公论的光具有“波粒二重性”的理论基础。
约100多年前,人们又进一步证实了光是一种电磁波,更严格地说,在极为宽、阔的电磁波谱大家族中。
可见光的光波只占有很小的空间,如表1-1所示。
其波长范围处在380nm-770nm
表1-1:
电磁波谱波长区域
电磁波谱种类
波长范围
nm
μm
cm
M
长波振荡
>105
无线电波
1—105
微波
10-1—102
红外线
0.77—103
可见光
380—770
紫外线
10—390
X射线
10-3—50
r射线
10-5—10-1
宇宙射线
<10-5
*lm=102cm=106μm=109nm
之间,包含了人眼可辩别的紫、靛、蓝、绿、橙、红七种颜色,它的长波方向是波长范围在微米量级至几十千米的红外线、微波及无线电波区域;它的短波端是紫外线、x射线、r射线,其中r射线的波长已小到可与原子直径相比拟。
物体的发光方式通常可分成二类,即热光与冷光。
所谓热光又称之谓热辐射,是指物质在高温下发出的热。
在热辐射的过程中,特内部的能量并不改变,通过加热使辐射得以进行下去,低温时辐射红外光、高温时变成白光。
众所周知,当钨丝在真空式惰性气氛中加热至很高的温度,即会发出灼眼的白光。
其实,太阳光就是一种最为常见的白光,三棱镜可将太阳光分解成上述的七种颜色,实验已证明,只要采用其中的蓝、绿、红三种颜色,即可合成自然界中所有色彩,包括白色的光,我们通常将蓝、绿、红三种颜色称之为三原色。
冷光是从某种能源在较低温度时所发出的光。
发冷光时,某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。
由于这种状态是不稳定的,该电子通常以光的形式将能量释放出来,回到基态。
由于这种发光过程不伴随物体的加热,因此将这种形式的光称之为冷光。
按物质的种类与激发的方式不同,冷光可分为各种生物发光、化学发光、光致发光、阴极射线发光、场致发光、电致发光等多种类别。
萤火虫、荧光粉、日光灯、EL发光、LED发光等均是一些典型的冷光光源。
2、何谓电致发光?
半导体发光为何属冷光?
所谓电致发光是一种直接电能转换成光能的过程。
这种发光不存在尤如白炽灯那样先将电能转变成热能,继而使物体温度升高而发光的现象,故将这种光称之为冷光。
通常有二种电致发光现象,EL屏是利用固体在电场作用下的发光现象所制成的光源,荧光材料在电场作用下,导带中的电子被加速到足够高的能量并撞击发光中心,使发光中心激发或电离,激活的发光中心回到基态或与电子复合而发光,荧光材料(ZnS)中不同的激活剂决定了发光的颜色。
第二类电致发光又称之为注入式场致发光,LED与LD就属于这类发光过程。
电致发光实际上也是一种能量的变换与转移的过程。
电场的作用使系统受到激发,将电子由低能态跃迁到高能态,当他们从高能态回到低能态时,根据能量守衡原理,多余的能量将以光的形式释放出来,这就是电致激发发光。
发光波长取决于电子的能量差:
△E=hν=h·c/λ=1.24λ(2-1)
其中△E=E1—E2,E是发射光子所具有的能量,以电子伏特为单位。
λ为光子波长,以毫微
米为单位。
由式(2-1)可知,激发电子的能量差△E越高,所发出的电子波长就越短,颜色发生蓝移,所之,激发电子能量差变小,所发光子的波长就会红移。
4、简单介绍一下LED的发展历史好吗?
半导体P-N结发光现象的发现,可追溯到上世纪二十年代。
法国科学家O.W.Lossow在研究SiC检波器时,首先观察到了这种发光现象。
由于当时在材料制备、器件工艺技术上的限制,这一重要发现没有被迅速利用。
直至四十年后,随着Ⅲ-Ⅴ族材料与器件工艺的进步,人们终于研制成功了具有实用价值的发射红光的GaAsP发光二级管,并被GE公司大量生产用作仪器表指示。
此后,由于GaAs、Gap等材料研究与器件工艺的进一步发展,除深红色的LED外,包括橙、黄、黄绿等各种色光的LED器件也大量涌现于市场。
出于多种原因,Gap、GaAsP等LED器件的发光效率很低,光强通常在10mcd以下,只能用作室内显示之用。
虽然AlGaAs材料进入间接跃进型区域,发光效率迅速下降。
跟随着半导体材料及器件工艺的进步,特别是MOCVD等外延工艺的日益成熟,至上世纪九十年代初,日本日亚化学公司(Nichia)与美国的克雷(Cree)公司通过MOCVD技术分别在蓝宝石与SiC衬底上生长成功了具有器件结构的GaN基LED外延片,并制造了亮度很高的蓝、绿及紫光LED器件。
超高亮度LED器件的出现,为LED应用领域的拓展开辟了极为绚丽的前景。
首先是亮度提高使LED器件的应用于从室内走向室外。
即使在很强的阳光下,这类cd级的LED管仍能熠熠发亮,色彩斑斓。
目前已大量应用于室外大屏幕显示、汽车状态指示、交通信号灯、LCD背光与通用照明领域。
超高亮LED的第二个特征是发光波长的扩展,InGaAlP器件的出现使发光波段向短波扩展到570nm的黄绿光区域,而GaN基器件更使发光波长短扩至绿、蓝、紫波段。
如此,LED器件不但使世界变得多彩,更有意义的是使固态白色照明光源的制造成为可能。
与常规光源相比,LED器件是冷光源,具有很长的寿命与很小的功耗。
其次,LED器件还具有体积小,坚固耐用,工作电压低,响应快,便于与计算机相联等优点。
统计表明,在二十世纪的最后五年内,高亮LED产品的应用市场一直保持着40%以上的增长率。
随着世界经济的复苏以及白色照明光源项目的启动,相信LED的生产与应用会迎来一个更大的高潮。
5、请问照明光源的基本种类与主要性能有哪些?
1)照明光源种类
当代照明光源可分成白炽灯,气体放电灯、固态光源三大类。
其详细分类如表5-1所示
2)主要光源的技术指标(表5-1)
光源种类
光效(lm/w)
显色指数(Ra)
色温(K)
平均寿命(G)
白炽灯
15
100
2800
1000
卤
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