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發光二極管(LED)的相關知識及制造方法和注意事項

如題越詳細越好: 問提問者：網友 | 2017-04-11

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一、 LED 的結構及發光原理　　50 年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識　　發光二極管的構造圖[1]，第一個商用二極管產生于 1960 年。發光二極管的核心部分是由 p 型半導體和 n 型半導體組成的晶片，在 p 型半導體和 n 型半導體之間有一個過渡層，稱為 p-n 結。在某些半導體材料的 PN 結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。 PN 結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱 LED 。當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。 [編輯本段]二、 LED 光源的特點　　1. 電壓： LED 使用低壓電源，供電電壓在 6-24V 之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。　　2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少 80% 　　3. 適用性：很小，每個單元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境　　4. 穩定性： 10 萬小時，光衰為初始的 50% 　　5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級， LED 燈的響應時間為納秒級　　6. 對環境污染：無有害金屬汞　　7. 顏色：改變電流可以變色，發光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的 LED ，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最后為綠色　　8. 價格： LED 的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只白熾燈的價格就可以與一只LED燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上 300 ～ 500 只二極管構成。　　9. 驅動：LED使用低壓直流電即可驅動，具有負載小、干擾弱的優點，對使用環境要求較低　　10.顯色性高：LED的顯色性高，不會對人的眼睛造成傷害 [編輯本段]三、單色光 LED 的種類及其發展歷史　　 LED光源最早應用半導體 P-N 結發光原理制成的 LED 光源問世于 20 世紀 60 年代初。當時所用的材料是 GaAsP ，發紅光（ λ p =650nm ），在驅動電流為 20 毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發光效率約 0.1 流明 / 瓦。70 年代中期，引入元素 In 和 N ，使 LED 產生綠光（ λ p =555nm ），黃光（ λ p =590nm ）和橙光（ λ p =610nm ），光效也提高到 1 流明 / 瓦。到了 80 年代初，出現了 GaAlAs 的 LED 光源，使得紅色 LED 的光效達到 10 流明 / 瓦。90 年代初，發紅光、黃光的 GaAlInP 和發綠、藍光的 GaInN 兩種新材料的開發成功，使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2000 年，前者做成的 LED 在紅、橙區（ λ p =615nm ）的光效達到 100 流明 / 瓦，而后者制成的 LED 在綠色區域（ λ p =530nm ）的光效可以達到 50 流明 / 瓦。 [編輯本段]四、單色光 LED 的應用　　最初 LED 用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的 LED 在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以 12 英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的 140 瓦白熾燈作為光源，　　 LED線燈它產生 2000 流明的白光。經紅色濾光片后，光損失 90% ，只剩下 200 流明的紅光。而在新設計的燈中， Lumileds 公司采用了 18 個紅色 LED 光源，包括電路損失在內，共耗電 14 瓦，即可產生同樣的光效。　　汽車信號燈也是 LED 光源應用的重要領域。 1987 年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于 LED 響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發生。　　另外， LED 燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。 [編輯本段]五、白光 LED 的開發　　對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。 1998 年發白光的 LED 開發成功。這種 LED 是將 GaN 芯片和釔鋁石榴石（ YAG ）封裝在一起做成。 GaN 芯片發藍光（ λ p =465nm ， Wd=30nm ），高溫燒結制成的含 Ce3+ 的 YAG 熒光粉受此藍光激發后發出黃色光發射，峰值 550nm 。藍光 LED 基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有 YAG 的樹脂薄層，約 200-500nm 。 LED 基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，可以得到得白光。現在，對于 InGaN/YAG 白色 LED ，通過改變 YAG 熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫 3500-10000K 的各色白光。 [編輯本段]六、新霓虹燈與LED燈優缺點的比較和競爭　　以下針對霓虹燈與LED燈相關比較，加入最新的LED技術進去比較，不是之前大家在網絡中見到的哪份資料。　　1. LED光源有100000小時壽命嗎? 　　按光衰7%，實際只有約50000小時。按光衰3%，實際運用可以達到80000小時。　　2. LED不會發熱嗎? 　　會，需散熱。　　3. LED可取代白熾燈嗎? 　　光通量，光效和顯色性可以，但目前太貴且近幾年不會有所下降。但可以通過提高產品的光通量從而降低替換白熾燈的成本。　　4. LED可作普通光源簡單地使用嗎? 　　不行，要驅動電源，光學和熱傳導配合。　　5. 二種光源性能和優點比較　　霓虹燈的優勢已被LED覆蓋，但LED燈目前價太高。　　6. 二種光源的電源比較　　LED低壓好，但防水性差和載電流過大。大顆粒1瓦的LED單燈輸入電流在350mA。　　7. 二種光源的控制技術比較　　LED易實現，但霓虹燈成熟。　　8. 二種光源的穩定性比較　　LED不一致性大，霓虹燈相當穩定。少數產家可以做到相對穩定，比如用CREE 跟AOD芯片相結合，取各自芯片的優點。　　9. 二種光源的價格比較　　LED較貴，但黃色和紅色已相當，主要貴的是LED白光。　　10. 二種光源戶外使用比較　　LED防水性差是戶外使用的致命弱點。　　11. 二種光源目前市場的比較　　全球照明產品年產值420億美元(中國150億美元)LED光源現比例小于1％。 [編輯本段]七、什么是led燈的封裝？　　led燈封裝解釋：簡單來說led封裝就是把led封裝材料封裝成led燈的過程；　　led燈封裝流程：一般led封裝必須經過擴晶-固晶-焊線-灌膠-切腳-分光分色等流程；　　led燈封裝材料：led的主要封裝材料有：芯片、金線、支架、膠水等；　　led燈封裝設備：擴晶設備、固晶機、焊線機、點膠機、烘烤箱等，一般分為全自動封裝設備手工封裝設備兩種。 [編輯本段]八、如何評判led燈封裝的好壞？　　led燈的好壞指標：led燈的好壞的幾個指標是：角度、亮度、顏色（波長）一致性、抗靜電能力、抗衰減能力等；　　led燈的封裝材料：led封裝材料是led燈好壞的直接因素，也是最基本的因素，led燈是幾種主要材料的組合，一顆好的led燈必須是所有封裝材料與生產技術的組合；　　led燈的封裝技術：一般全自動設備封裝要比手工封裝的要好，封裝的技術水平也是led燈封裝的好壞的主要因素，同樣的材料不同的生產廠家生產出來的產品有很大的差別； [編輯本段]九、制作led顯示屏需要什么樣的led燈？　　led燈的外觀：制作戶外led電子屏主要使用直插式橢圓led燈，制作戶內led電子屏主要使用表貼式led燈。　　led燈的參數：亮度根據使用環境等因素而不同，波長紅燈：620nm-625nm，綠燈波長：520nm-525nm，藍燈波長：465nm-470nm。 [編輯本段]十、led-定義　　LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，　　發光二極管晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。　　50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文light emitting diode（發光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。　　發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。　　最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。　　對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發白光的LED開發成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，可以得到得白光。現在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。　　上個世紀６０年代，科技工作者利用半導體ＰＮ結發光的原理，研制成了ＬＥＤ發光二極管。當時研制的ＬＥＤ，所用的材料是ＧａＡＳＰ，其發光顏色為紅色。經過近３０年的發展，現在大家十分熟悉的ＬＥＤ，已能發出紅、橙、黃、綠、藍等多種色光。然而照明需用的白色光ＬＥＤ僅在近年才發展起來，這里向讀者介紹有關照明用白光ＬＥＤ。　　led-介紹　　１．可見光的光譜和ＬＥＤ白光的關系。眾所周之，可見光光譜的波長范圍為３８０ｎｍ～７６０ｎｍ，是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如ＬＥＤ發的紅光的峰值波長為５６５ｎｍ。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的復合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。由此可見，要使ＬＥＤ發出白光，它的光譜特性應包括整個可見的光譜范圍。但要制造這種性能的ＬＥＤ，在目前的工藝條件下是不可能的。根據人們對可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長發光（藍色光＋黃色光）或三波長發光（藍色光＋綠色光＋紅色光）的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍色光，所以攝取藍色光已成為制造白光的關鍵技術，即當前各大ＬＥＤ制造公司追逐的“藍光技術”。目前國際上掌握“藍光技術”的廠商僅有少數幾家，所以白光ＬＥＤ的推廣應用，尤其是高亮度白光ＬＥＤ在我國的推廣還有一個過程。　　２．白光ＬＥＤ的工藝結構和白色光源。對于一般照明，在工藝結構上，白光ＬＥＤ通常采用兩種方法形成，第一種是利用“藍光技術”與熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產生白光器件。第一種方法產生白光的系統如圖１所示，圖中ＬＥＤＧａＭ芯片發藍光（λｐ＝４６５ｎｍ），它和ＹＡＧ（釔鋁石榴石）熒光粉封裝在一起，當熒光粉受藍光激發后發出黃色光，結果，藍光和黃光混合形成白光（構成ＬＥＤ的結構如圖２所示）。第二種方法采用不同色光的芯片封裝在一起，通過各色光混合而產生白光。　　３．白光ＬＥＤ照明新光源的應用前景。為了說明白光ＬＥＤ的特點，先看看目前所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為１２～２４流明／瓦；熒光燈和ＨＩＤ燈的光效為５０～１２０流明／瓦。對白光ＬＥＤ：在１９９８年，白光ＬＥＤ的光效只有５流明／瓦，到了１９９９年已達到１５流明／瓦，這一指標與一般家用白熾燈相近，而在２０００年時，白光ＬＥＤ的光效已達２５流明／瓦，這一指標與鹵鎢燈相近。有公司預測，到２００５年，ＬＥＤ的光效可達５０流明／瓦，到２０１５年時，ＬＥＤ的光效可望達到１５０～２００流明／瓦。那時的白光ＬＥＤ的工作電流便可達安培級。由此可見開發白光ＬＥＤ作家用照明光源，將成可能的現實。　　普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低（燈的熱效應白白耗電），壽命短，維護工作量大，但若用白光ＬＥＤ作照明，不僅光效高，而且壽命長（連續工作時間１００００小時以上），幾乎無需維護。目前，德國Ｈｅｌｌａ公司利用白光ＬＥＤ開發了飛機閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光ＬＥＤ作路燈照明；我國的城市交通管理燈也正用白光ＬＥＤ取代早期的交通秩序指示燈。可以預見不久的將來，白光ＬＥＤ定會進入家庭取代現有的照明燈。　　LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時間短、對環境無污染、多色發光等的優點，雖然價格較現有照明器材昂貴，仍被認為是它將不可避免地現有照明器件。　　led-特點　　LED特點和優點　　LED的內在特征決定了它是最理想的光源去代替傳統的光源，它有著廣泛的用途。　　體積小　　LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。　　耗電量低　　LED耗電非常低，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說：它消耗的電不超過0.1W。　　使用壽命長　　在恰當的電流和電壓下，LED的使用壽命可達10萬小時　　高亮度、低熱量　　環保　　LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。　　堅固耐用　　LED是被完全的封裝在環氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內也沒有松動的部分，這些特點使得LED可以說是不易損壞的。　　色溫及顏色的應用：　　（1）光源的色溫：人們用與光源的色溫相等或相近的完全輻射體的絕對溫度來描述光源的色表（人眼直接觀察光源時所看到的顏色）又稱光源的色溫。色溫是以絕對溫度K來表示。不同的色溫會引起人們在情緒上不同的反　　應，我們一般把光源的色溫分成三類：　　ａ.暖色光：暖色光的色溫在3300K以下，.暖色光與白熾燈光色相近，紅光成分較多，給人以溫暖、健康、舒適的感覺，適用于家庭、住宅、宿舍、醫院、賓館等場所，或溫度比較低的地方。　　ｂ.暖白光：又叫中間色，它的色溫在3300K－5300K之間。.暖白光光線柔和，使人有愉快、舒適、安祥的感覺，適用于商店、醫院、辦公室、飯店、餐廳、候車室等場所。　　ｃ.冷色光：又叫日光色，它的色溫在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感覺，使人精力集中，適用于辦公室、會議室、教室、繪圖室、設計室、圖書館的閱覽室、展覽櫥窗等場所。　　演色性：光源對物體顏色呈現的程度稱為演色性，也就是顏色的逼真的程度，演色性高的光源對顏色的表現較好，我們所看到的顏色也就較接近自然顏色，演色性低的光源對顏色的表現較差，我們所看到的顏色偏差也較大。　　為何會有演色性高低之分呢?其關鍵在于該光線之分光特性，可見光之波長在380ｍｍ至780ｍｍ之范圍內，也就是我們在光譜中見到的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫光的范圍，如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例與自然光相近，則我們眼睛所看到的顏色也就較為逼真。　　我們一般以顯色指數為表征顯色性。標準顏色在標準光源的輻射下，顯色指數定為100。當色標被試驗光源照射時，顏色在視覺上的失真程度，就是這種光源的顯色指數。顯色指數越大，則失真越少，反之，失真越大，顯色指數就越小。不同的場所對光源的顯色指數要求是不一樣的。在國際照明協會中一般把顯色指數分成五類：　　類別 Ra 適用范圍　　1A ＞90 美術館、博物館及印刷等行業及場所　　2B 80—90 家庭、飯館、高級紡織工藝及相近行業　　2 60—80 辦公室、學校、室外街道照明　　3 40—60 重工業工廠、室外街道照明　　4 20—40 室外道路照明及一些要求不高的地方 [編輯本段]十一、LED 燈具的安規要求　　LED 具有節能、環保的優勢，在燈具產業的發展已成為主要趨勢。由于 LED 所使用的技術及產品屬性已與傳統燈具大不相同，因此現行的一般燈具安全標準規范顯然已不適用。為協助業者正視此項議題，本期將以 LED 燈具所使用的技術、可能應用的范疇、及目前 UL 所使用的安全評估來對此進行說明。　　LED 燈具技術及特性　　所謂的 LED 燈具，顧名思義，是指燈具產品采用 LED (Light-emitting Diode，發光二極管) 技術做為主要的發光源。LED 是一種固態的半導體組件，其利用電流順向流通到半導體 p-n 結耦合處，再由半導體中分離的帶負電的電子與帶正電的電洞兩種載子相互結合后，而產生光子發射，不同種類的 LED 能夠發出從紅外線到藍光之間、與紫光到紫外線之間等不同波長的光線。近幾年的新發展則是在藍光 LED 上涂上螢光粉，將藍光 LED 轉化成白光 LED 產品。此項操作一般需要搭配驅動電路 (LED Driver) 或電源供應器 (Power Supply)，驅動電路或電源供應器的主要功能就是將交流電壓轉換為直流電源，并同時完成與 LED 相符合的電壓和電流，以驅動相配合的組件。　　LED 燈具的燈泡體積小、重量輕，并以環氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎，且亮度衰減周期長，所以其使用壽命可長達 50,000-100,000小時，遠超過傳統鎢絲燈泡的 1,000 小時及螢光燈管的10,000 小時。由于 LED 燈具的使用年限可達 5 ~10 年，所以不僅可大幅降低燈具替換的成本，又因其具有極小電流即可驅動發光的特質，在同樣照明效果的情況下，耗電量也只有螢光燈管的二分之一，因此 LED 也同時擁有省電與節能的優點。不過因為 LED 的部份技術尚嫌不足，所以起初使用在燈具上的缺點包括光品質 (演色性、一致性、色溫) 較差、散熱不易、且價格偏高，而其中不當的散熱，則會導致 LED 燈具的亮度及電路零組件使用壽命加速衰減。隨著制造技術在近十年來的突飛猛進，上述缺點，包括 LED 的熱阻逐漸降低、光品質也在提升中。2008 年，除了 LED 白冷光的發光效率已達到 100 Lm/W，而 LED 暖白光的發光效率，預計在 2010 年，也可從目前的 70 Lm/W 提高至 100 Lm/W。與目前其它通用光源相較，鎢絲燈泡約 15 Lm/W、螢光日光燈約 45~60 Lm/W、HID 燈約 120~150 Lm/W，LED 的發光效率顯然已漸具優勢；　　: 回答者：網友

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