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LED灯珠选择VF小的好处。
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M币46979专家875
&&&&&&&&&&这几天都在折腾灯具，有自己改造的，有专门撸来测评的。反正就是瞎折腾。。。。对于灯珠的温升，突然想起来，VF的问题。假如用VF=3.3V@IF=150mA的5730灯珠，和VF=3.0V@IF=150mA的5630灯珠来做同一款7W球泡灯（就灯珠不同，其他条件都相同。）。7W球泡灯14颗灯珠，7串2并。假如都用2*150mA的电流来驱动，假如灯珠VF基本都一样。那么VF=3.3V的，要比VF=3.0V的多消耗的功率为：（3.3-3.0）V*0.15A*14（颗）=0.63W无形中整灯功率大了。消耗的功率大了，热量也跟着上去了。是不是选择VF小的好些呢？
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M币49468专家484
实际电路验证一下看看如何呢
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M币23659专家1
就是不知道亮度一样不一样
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M币46979专家875
回 zxc77218 的帖子
:就是不知道亮度一样不一样( 11:25)嬀/color]大大认为VF高的亮，还是VF低的亮呢？
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M币46979专家875
回 kyhwhb 的帖子
:实际电路验证一下看看如何呢( 11:23)嬀/color]预知后文，请见下回分解。
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M币10137专家64
VF大的灯珠，光通量也大
UID：816415
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M币3379专家3
功率问题也可以调小电流啊，亮度下降不多。
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M币46979专家875
:VF大的灯珠，光通量也大( 11:40)嬀/color]我觉得同一批灯珠，光通量大的VF一般都比较小。
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M币5590专家8
VF=3.3V@IF=150mA的5730灯珠VF=3.0V@IF=150mA的5630灯珠5730灯珠&&R1 = 3.3V / 150 mA 5630灯珠&&R2 = 3.0V / 150 mA R1 & R2恒流功率&&P = I * I * R&&&&&&&&&&（两种灯珠串接时）P1 & P2恒压功率 P = U * U / R&&&&&&&&&&（两种灯珠并接时）P 1 & P2额定功率 P = U * I&&&&&&&&&&（两种灯珠分别使用时）P 1 & P2所以如果两灯在150mA时能制造同样的亮度的话，就是说两种灯珠的有效功率相同。那5730灯珠的实际功率 & 5630灯珠 ，使用5630灯珠更好。如果两灯制造的亮度不同，且5730灯珠亮度更高，那就难说了。
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M币46979专家875
回 mousebat04 的帖子
:VF=3.3V@IF=150mA的5730灯珠VF=3.0V@IF=150mA的5630灯珠5730灯珠刀1 = 3.3V / 150 mA 5630灯珠刀2 = 3.0V / 150 mA .......( 11:57)嬀/color]VF高低不知道与LED封装制程有哪些因素有关？
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提升液晶电视LED背光性能的新趋势
液晶电视LED背光的总系统效率受到几个因素的影响。新型LED背光驱动IC正力求解决这些挑战，为液晶电视设计人员提供了切实可行的解决方案。
　　设计挑战和解决方案　　直下式和侧入式背光系统通常都会遇到的设计挑战便是功率转换效率及其相关散热问题。目前市场上已有几种液晶电视背光驱动集成电路可为这一问题提供技术解决方案。　　所有液晶电视系统（包括直下式和侧入式背光系统）设计人员都必须确定既定系统所需LED串和/或通道的数量，以及每条串所需的LED数量。系统设计人员还需要确定达到规定液晶背光亮度所需的最大正向电流。一旦确定了这些最高级别的系统要求，下一步必须要考虑的技术问题便是LED正向电压(VF)以及因LEDVF差总值而导致的后续LED串电压变化。加上每个LED串之间的VF差将对总系统效率产生最大的影响。　　所有白光LED的VF差在同一生产类型中的差别高达500mV，有时甚至更大。考虑到成本因素，实际测试分类和部件装箱只能将LEDVF差缩小至大约&100mV的范围。总电压最大VF的LED串将决定LED高侧电源输出电压。接下来产生的问题则是利用较低VF总值控制LED亮度的电流阱必须耗尽过量电压差生成的电源。既定串中的LED数量越多VF差越大，这一规律不容忽视。例如，图4中系统的LED串共有10组，每组VF差都为&100mV，因而导致的LED串电压失配高达2V。若VF差高于&100mV，或使用的LED超过10个，那么通道之间的失配率将会增加。图4：常见的16通道，10组LED背光阵列　　背光控制IC提供的第一项重要功能是一种电压反馈方法，即将电压从LED通道电流阱回馈至可调节LED(VLED)电源的交流/直流(AC-DC)或直流/直流(DC_DC)升压转换器。每个LED通道电流阱的内部电压传感电路均为多路传输，可选择电压降最低的电流阱。电压降最低的电流阱将代表VF总计最高的最差条件下LED串。选择要求最高电压的LED串将确保所有LED串的运行在工作电流给定的情况下可获得足够的电压余度。对混合VF要求较低的相邻通道而言，过剩功耗将以热的形式散失掉，但电源反馈将维持最低电压以保证系统的正常运行。如果没有电源反馈，一个固定的LED设备电压必须设置成超出所需水平，并会导致系统功率效率的下降。　　在使用配有集成电流阱的背光控制IC时，设计人员必须对LED通道电压差进行测量和评估，并计算每个LED控制IC的最差条件下混合功耗，以确保在周围工作温度给定的情况下，它们不会超过IC最大功耗定额。一般的液晶电视系统运行时的内部环境温度在65&C以上，大部分IC的额定运行环境温度高达85&C以上。因此不会给系统运行留下很多散热空间。其次，在运行的正向电流水平达到70mA至120mA时（常见于很多直下式背光应用），配有集成电流阱的IC最适合于LED串系统，不超过8到12串LED，并且具备了十分匹配的VF特性。如果要进行8至12串，LED电压源将达到35V至45V之间，最新一代背光驱动器IC通常为45V至50V的额定运行电压。如果LED串短路，这些IC器件在保护下不会被损坏。此外，液晶电视通用电压是12V至24V，而额定高压IC通常可直接在这样的电压下工作。它们并不需要额外的本地降压调节器，这样可以节省设计时间、印刷电路板(PCB)空间和成本。　　直下式背光系统的功能要优于控制IC额定功率侧入式背光系统，后者不管在什么地方通常都要求某个指定的LED串要达到20-50甚至更多串LED，而直下式背光系统则要求采取不同的方法。这项应用提出了配有集成电流阱的控制IC所无法解决的两大问题。首先是电流阱的功耗问题，其次是LED串工作电压远大于控制IC的绝对最大额定值。对这些应用而言，控制IC可调节每个LED串的外部电流阱金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)。外部MOSFET有助于分散控制IC以外的功率损耗，并可调整大小来满足系统需求。对于用在侧入式背光灯条等地方的高压LED串应用来说，VLED工作电压最高可达到200V至300V。在这些情况下，可将另一个高压支柱型串联MOSFET放置在电流阱MOSFET和LED串之间，以便在LED串发生短路的情况下缓冲低侧电流控制。图5：配有外部MOSFET电流阱和可保护每个LED通道的高压支柱型串联MOSFET的IC背光驱动器图示
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LED的Vf值是什么意思?
11:26:55　　
14626&查看
　&&LED 的基本术语VF、IV、WL、IR 解释及光通量换算关系
　　V 代表电压。
　　F 代表正向。
　　I 代表电流。
　　R 代表反向。
　　WL 代表波长。
　　故：VF代表正向电压，一般小功率led红、黄、橙、黄绿的vf是1.8-2.4v，纯绿、蓝、白的vf是3.0-3.6v。IF是正向电流，一般小功率led的IF都是20mA。IR是反向电流，
　　一般是在5v的反向电压下面测量，分小于10uA（微安），小于5uA和0uA几个档次。WL是光的波长，可见光分别有各自的波长，不同的波长对应不同的颜色，如红光一般是615-650nm（纳米），蓝光一般是450-475nm。白光由于是蓝色芯片＋荧光粉调制而成，所以无波长，以色温来衡量（3000k以下偏黄。3000k－7000k正白，7000k以上偏蓝）。
　　LED的Vf值是什么意思?它的大小对LED有什么影响?
　　vf是正向电压的意思，但是不一定正向电压越大，正向电流越大。你看只要是小功率led的承认书上面都会有一个vf值，有一个If值，不管vf值是多大，（红、黄、黄绿、橙一般为1.8v－2.4v，白、蓝、翠绿一般为3.0v-3.6v）。If都是20mA。这两者是相辅相成的。比如2颗白光，一颗是3.0v，20mA，一颗是3.4v，20mA，意思就是说第一颗灯，你给它3.0v的电压，流过它的电流就是正常额定电流20mA，但是第二颗灯，你要给它3.4v的电压，流过它的电流才是20mA。在这里Vf和If没有成正比；但是一颗黄灯和一颗白灯比，比如黄灯的电压是2.0v，白灯的电压是3.3v，这颗黄灯在2.0v的电压下和这颗白灯在3.3v的电压下流过它们的电流是一样的，都是20mA，在这里Vf和If并不成正比。所以只有是专指同一颗灯的情况下Vf和If才是绝对成正比的。你在使用的时候不管Vf是多大，只要控制流过所有灯的电流为20mA就ok了
　　LED基本术语
　　光通量(lm)：光源每秒钟发出 可见光量之总和。例如一个100瓦（w）的灯泡可产生1500lm，一支40瓦（w）的日光灯可产生3500lm的光通量。 ◇发光强度(cd）：光源在单位立体角内发出的光通量，也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密度。光强的单位是坎特拉（cd），也称烛光。如：1单位立体角度内发出1流明的光称为1坎特拉(1cd）。 ◇亮 度：发光二极管是一种发光器件，亮度系指单位面积之照度，单位为：烛光 / 平方米，发光二极管标准之驱动电流为 20mA 。
　　色温（k）：以绝对温度（k=℃+273.15）K来表示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色逐渐由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白-蓝变化。当某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源的色温。如：当黑体加热呈现深红时温度约为550℃，即色温为823K。
　　光效（lm/w)：光源发出的光通量除以光源所消耗的功率。它是衡量光源节能的重要指标。
　　显色性（ra）：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。也就是颜色的逼真程度。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100。各类光源的显色指数各不相同。如：白炽灯ra≥90，荧光灯ra=60∽90。
　　可视角度:角度分X轴（左、右）Y 轴（上、下）当中心轴为 1 之亮度，左右或上下轴亮度达 1/2 时之夹角为可视角度；例 70 °可视角度系指从中心点向上下或左右各 35 °。
　　波长:二极发光管所发出光的波长，一般红色波长在 620-660nm ，纯绿 520-530nm ，蓝色 470-480nm ，黄色580-890nm ，黄绿 550-570nm ，请参考色度图，不同波长发出光之颜色不同；两种颜色之混光亦不同。
　　四元系: 指以 ALInGaP 四个化学元素所制作成的发光二极管，可以发出黄绿 / 黄色 / 橙色 / 红色（波长 550-630nm ）之间的光，具有亮度高、衰减度低的特性，为目前户外发光二极管之主流产品。
　　纯绿/黄绿: 传统绿色 LED 是以黄绿为主，波长从 550-570nm ，价格低，亮度也低，衰减快， 1994 年日本亚制造公司制造出了纯绿（波长 520-530nm）价格高，亮度高，衰减慢，广泛在户外显示屏上使用，此两种产品有着极大的差异，设计时必须区分清楚。
　　单色/双基色/全彩屏: 三原色为红色 / 绿色 / 蓝色；若一颗象素管中含有此三种发光二极管则称为全彩显示屏；若只有红 + 绿称为双基色屏，若只有一种颜色如红色或黄色则称为单色显示屏，单色显示屏以播放纯文字内容为主，双基色则以文字 + 图案 + 动画为主，全彩屏则以播发视频信号为主。产品参数
15:54:11　　
这个我也忘记了
20:00:19　　
高级工程师
08:30:52　　
09:09:46　　
14:02:54　　
学习一下。。
高级工程师
12:51:04　　
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哥也是亿光的。。
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学习了谢谢了学习一下
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谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢谢
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学习了 谢谢分享
助理工程师
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原边控制带TRIAC调光的LED驱动电源设计
本文设计原边控制的单级反激变换器，适于TRIAC 调光且与LED 驱动器兼容的驱动方案。输出电流由原边检测的信号精确地计算控制，在DCM 模式下操作转换器，输入电流将跟随输入电压得到高功率因数，使LED 驱动器与TRIAC 调光器很好地兼容。
　　LED 由于其高亮度、节能和长寿命成为第四代照明光源。节能型LED 调光是目前应用和研究的热点之一。目前，LED 照明主要的调光方式有：模拟调光、脉宽调制（PWM）调光、可控硅（TRIAC）调光。而可控硅调光由于不需改变原有线路，是目前普遍采用的一种调光方式。　　适于TRIAC 调光的非隔离LED 驱动器，是在电路中加入电容器网络增加维持电流以保证TRIAC工作在线性周期，从而避免闪烁问题。但是，这种方法仅适用于半桥结构，需要外加电路来检测TRIAC 的调光角。针对带隔离输出的TRIAC 调光的LED 驱动应用提出的适于反激PFC 转换器的前馈控制方案，输出电流通过输入功率控制，但输出电流精度受到限制。由于TRIAC 与LED 兼容大部分行业的解决办法效率都低（ 触发角检测和TRIAC 维持电流需要虚拟负载），复杂的隔离反馈结构或两级转换的高成本，因此，对于简单高性能且适用于TRIAC 调光的LED 驱动器仍有必要。　　本文设计原边控制的单级反激变换器，适于TRIAC 调光且与LED 驱动器兼容的驱动方案。输出电流由原边检测的信号精确地计算控制，在DCM 模式下操作转换器，输入电流将跟随输入电压得到高功率因数，使LED 驱动器与TRIAC 调光器很好地兼容。此外，使用原边控制，使得输出电流信号和TRIAC 调光信号在原边获得，简化电路功能。输出电流通过TRIAC 导通角的变化改变，得到近乎线性的调光曲线。　　1 工作原理　　由于TRIAC 调光很普遍，成本较低，因此，能够与LED 驱动电源兼容的TRIAC 调光器很普遍。在实际应用中，尽管由于输入电流高度扭曲使得功率因数无关紧要，但在带PFC 控制的调光中，使输入电流跟随输入电压仍具有意义。本文的控制方案使输入电流跟随电压变化，得到较高的功率因数。　　TRIAC 调光功能可以很容易实现，关键是如何检测调光角和改变基于调光角的输出电流。　　1. 1 TRIAC 调光器　　图1 给出了TRIAC 调光器经整流后的波形图。由图可看出，TRIAC 在琢角时触发导通，当电压过0 时关断。此时触发相位角的输出电压Vout由式（1）计算。　　其中，Vout和Vin 分别是调光器输出电压和线电压的有效值。VF 是LED 的阈值电压。　　此时功率因数可由式（2）表示。　　在调光情况下，输出电压波形明显发生畸变，且产生谐波。由式（2）可知，当调光角由&逐渐接近&时，功率因数也随着减小。因此，需要设计功率因数校正电路以提高功率因数。　　图1 TRIAC 调光器整流后波形　　1. 2 单级反激PFC 变换　　为得到较高的功率因数，反激变换器通常用于DCM 或CRM 模式。原边控制的反激变换控制原理图如图2 所示。每个开关周期的输出电流都由Io 计算模块计算，然后累积输出电流Io-est 与输出参考电流Io-REF 比较，误差信号Vea 反馈给乘法器。误差放大器的频带宽度远低于传统PFC 控制器的线性频率。乘法器的其他输入是电流波形参考信号Vac（t），与整流器总线电压Vd 有相同的波形。乘法器IREF输出用来控制流经原边开关的峰值电流。　　图2 原边控制的反激PFC 电路
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LED常见问题解答
LED 常见问题解答深圳华烨新科技实业有限公司 二 OO 九年九月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？ ................................................................................... 6 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？ ................................................................................................... 7 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？ ..................................................................................... 9 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？ ........... 10 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？ ................................................11 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？ .......................................................................................................................................................... 12 22、当前生产超高亮 LED 的外延方法主要有几种？什么是 MOCVD？ .............................. 12 27、请可否能深入浅出地介绍一下 LED 芯片的制造流程。 ................................................... 13 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？ ..... 14 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？ ........................................................................................... 16 34、请介绍一下“透明电极”芯片的结构与它的特点？ ......................................................... 17 35、什么是“倒装装芯片” （Flip Chip）?它的结构如何？它有哪些优点？ ......................... 17 36、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么？ ............................................................. 18 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？ .......................................................................................................................................................... 18 38、LED 芯片封装成器件一般的制造程是什么？ .................................................................... 19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？ ..................... 19 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？ ................ 20 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？ ....................... 21 46、能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺？ ............................................. 22 48、白光 LED 是通过哪些方法来实现的？ ............................................................................... 23 49．当前制造白光 LED 的主流方法是什么？ ........................................................................... 23 50．白光 LED 当前具有代表性的产品的水平如何？ ............................................................... 23 51．什么是色温？什么是显色指数？ ......................................................................................... 24 52．照明领域对白光 LED 的光电性能有哪些基本要求？ ....................................................... 24 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？ .................... 25 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？ ................... 26 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？27 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？ ..................................................................................................................................... 28 60、LED PN 结有源层发出的光子能否 100%逸出到空气中？ ............................................... 29 62、能否简述一下提高 LED 芯片电一光转换效率的意义何在？ ........................................... 30 63、衡量 LED 器件光电转换优劣的参数主要有哪些？ ........................................................... 30 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？ ............. 32 65、什么是人眼对光的视觉函数？ ............................................................................................. 33 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？ ....................................... 33 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？ ................................................................................................................. 34 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？ ............................................................... 35 70、请问 LED 光通量φ 与发光强度即光强是否能相互转换？ ............................................... 36 71、LED 的发光强度 Iv 与照度 E 之间如何进行换算？ .......................................................... 36 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？ ..................................................... 37 73、为什么 LED PN 结上温度升高会引起它的光电参数退化？ ............................................. 38 75、衡量 LED 长期使用性能退化的主要指标是什么？ ........................................................... 38 76、什么是 LED 的结温，它是如何产生的？ ........................................................................... 39 77、简述结温对 LED 光输出的影响 ........................................................................................... 40 79．当结温上升时，LED 的发光波长与颜色如何变化？ ........................................................ 41 80．简述什么是热阻？它的定义和单位是什么？ ..................................................................... 42 81．LED PN 结上最高结温的含义是什么？ .............................................................................. 43 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？ ............................... 43 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 ............................................. 45 84．试述热阻在功率 LED 光源应用中的作用 ........................................................................... 46 85、如何减小 LED 的热阻值 ....................................................................................................... 47 86．请简单介绍一下目前常用的热阻测试方法： ..................................................................... 48 87．何谓功率型 LED，请介绍一下它的发展概况： ................................................................ 49 90．LED 工作时，较好的驱动方法是什么方法？ .................................................................... 50 91.有哪些常用的恒流驱动 LED 的方法？请作简单介绍。 ...................................................... 50 93．如何实现 LED 的调光、调色？请举一简单例子说明。 ................................................... 53 94、LED 的“寿命”是什么样一种概念？什么是“浴盆”曲线？ ........................................ 5595、LED 失效的判据是什么？失效率又如何？ ........................................................................ 56 98、是否可以通过试验来剔除早期失效的 LED？ .................................................................... 57 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？ ................................... 58 101、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？ ......... 59 102、LED 要进入照明领域还存在哪些问题，还要做哪些工作？ .......................................... 601、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 nm 长波振荡 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 X 射线 380―770 10―390 10-3―50 0.77―103 10-1―102 波长范围 μ m cm M ＞105 1―105r 射线 宇宙射线10-5―10-1 ＜10-5 *lm=102cm=106μ m=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， GaN 基器件更使发光波长短扩至绿、 而 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 白炽灯 卤钨灯 普通荧光灯 三基色荧光灯 紧奏型荧光灯 高压汞灯 金属卤灯物灯 高压钠灯 低压钠灯 高频无极灯 固体白灯 光效（lm/w） 15 25 70 93 60 50 75-95 100-120 200 50-70 20 显色指数（Ra） 100 100 70 80-98 85 45 65-92 23/60/85 85 85 75 色温（K）
全系列 全系列 全系列 00/50/50 00-10000 平均寿命（G） 00
00- -6、如何描述 LED 的基本特性？LED 作为一个电致发光的 P-N 结器件，其特性可通该 P-N 结的电学参数，以及作为一个 发光器件的光学参数来进行描述。 伏安特性是描述一个 P-N 结器件的重要参数，它是 P-N 结性能，P-N 结制作工艺优劣的 重要标识。所谓伏安特性，即是流过 P-N 结的电流随电压变化的特性，在示波器上能十分形 象地展示这种变化。一根完整的伏安曲线包括正向特性与反向特性。通常，反向特性曲线变 化较为陡峭，当电压超过某个阈值时，电流会出现指数式上升。通常可用反向击穿电压，反 向电流和正向电压三个参数来进行伏安特性曲线的描述。 正向电压 VF 是指额定正向电流下器件二端的电压降， 这个什既与材料的禁带宽度有关， 同时也标识了 P-N 结的体电阻与欧姆接触电阻的高低。VF 的大小一定程度上反映了电极制 作的优劣。相对于 20 毫安的正向电流，红黄光类 LED 的 VF 值约为 2 伏，而 GaN 基兰绿光 类 LED 器件的 VF 值通常大于 3 伏。 反向漏电流 IR 是指给定的反向电压下流过器件的反向电 流值，这个值的大小十分敏感于器件的质量。通常在 5 伏的反向电压下，反向漏电流应不大 于是 10 微安，IR 过大表明结特性较差。反向击穿电压是指当反向电压大于某一值时，反向漏电电流会急剧增大，反映了器件反向耐压的特性。对一个具体器件而言，漏电流大小的标 准有所不同，在较为严格的情况下，要求在规定电压下，反向漏电流不大于 10 微安。 除了电学特性，还需采用一系列的光学参数来描述 LED 器件的性能，其中较为重要的 参数为器件的峰值波长与光强。可见光属电磁波范畴，通常可以用波长来表达人眼所能感受 到的。可见光的辐射能量，一般可见光的波长范围在 380nm―760nm 之间，波长越长，其相 应的光子能量就越低，光的颜色也显得越红，当光子的波长变短时，光将逐渐由红转黄，进 而变绿变兰，直至变成紫色。对于一个 LED 器件，其所发的光会在峰值λP 处有所展开，其波长半宽度通常为 10―30nm，半宽度越越小，说明 LED 器件的材料越纯，性能越均匀，晶 体的完整性也越好。光强是衡量 LED 性能优劣的另一个重要参数，通常用字母 Iv 来表示。 光强的定义是，光在给定方向上，单位立体角内发了 1 流明的光为 1 烛光，其单位用坎德拉 （cd）表示。其关系可用公式（6-1）表征： Iv=dφ /dΩ （6-1）式中φ 的单位为流明，Iv 的单位即是 cd，dΩ 是单位立体角，单位为度。一个超亮 LED 芯片的法向光强一般在 30―120mcd 之间，封装成器件后，其法向光强通常要大于 1cd. 光通量是判别 LED 发光效率的一个更为客观的参量，它表示单位时间内电发光体发出 的光能的大小，单位为流明（lm） 。通常白炽灯与荧光灯的光效分别为 15lm/w 与 60lm/w， 灯泡的功率越大，光通量越大。对于一个性能较高的 LED 器件，光效为 20lm/w，实验室水 平也有达到 100lm/w 的。为使 LED 器件更快地用于照明，必须进一步提高 LED 器件的发光 效率，估计 10 年后，LED 的光效可达 200lm/w。届时，人类将会迎来一个固态光源全面替 代传统光源的新时代。7、传统光源相比，LED 光源有哪些优点？LED 作为一个发光器件，之所以备受人们关注，是有其较其他发光器件优越的方面，归 纳起来 LED 有下列一些优点： （1） 工作寿命长：LED 作为一种导体固体发光器件，较之其他发光器具有更长的工作 寿命。其亮度半衰期通常可达到十万小时。如用 LED 替代传统的汽车用灯，那么它的寿 命将远大于汽车本体的寿命，具有终身不用修理与更换的特点。 （2） 耗电低：LED 是一种低压工作器件，因此在同等亮度下，耗电最小，可大量降低能耗。相反，随着今后工艺和材料的发展，将具有更高的发光效率。人们作过计算，假 如日本的照明灯具全部用 LED 替代， 则可减少二座大型电厂， 从而对环境保护十分有利。 （3） 响应时间快：LED 一般可在几十毫秒（ns）内响应，因此是一种告诉器件，这也 是其他光源望尘莫及的。采用 LED 制作汽车的高位刹车灯在高速状态下，大提高了汽车 的安全性 （4） 体积小，重量轻、耐抗击：这是半导体固体器件的固有特点。彩 LED 可制作各类 清晰精致的显示器件。 （5） 易于调光、调色、可控性大：LED 作为一种发光器件，可以通过流过电流的变化 控制亮度，也可通过不同波长 LED 的配置实现色彩的变化与调节。因此用 LED 组成的 光源或显示屏，易于通过电子控制来达到各种应用的需要，与 IC 电脑在兼容性无比毫困 难。另外，LED 光源的应用原则上不受窨的限制，可塑性极强，可以任意延伸，实现积 木式拼装。目前大屏幕的彩色显示屏非 LED 莫属。 （6）用 LED 制作的光源不存在诸如水银、铅等环境污染物，不会污染环境。因此人们 将 LED 光源称为“绿色”光源是受之无愧的。9、何谓绿色照明光源？它有哪些特点？所谓绿色照明光源就是指通过科学的照明设计，具有效率高、寿命长、安全和性能稳定 的照明电器产品 （包括电光源、 灯用电器附件、 灯具配线器材、 以及调光控制器和控光器件） 。 通过绿色照明光源的使用，改善与提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个 高效、舒适、安全、经济、有益的环境，并充分体现现代文明的照明环境。1991 年 1 月，美 国环保局（EPA）首先提出 实施“绿色照明（Green lighting） ”和推出“绿色照明工程（Green lighting program） ”的概念，并很快得到联合国的支持和许多发达国家的重视，并积极采取相 应的政策和技术措施，推进绿色照明工程的实施和发展。1993 年 11 月我国国家经贸委开始 启动中国绿色照明工程事半功倍于 1996 年正式列入国家计划。 节能与环保是我国经济发展的二项基本要素。 据最新统计， 我国照明年用电达 2000 亿度， 占总发电量的 12%，约为 2 个半三峡满负荷的发电量。如能用高效固态白光光源替代部分目 前的通用电光源，特别是白炽灯，就可节省下一半约 10000 亿度的电量。另外有资料显示， 直接燃烧一吨煤将向空中排放上百公斤的 SO2、 2、粉尘与 CO2，将会大面积破坏大气与气 NO候环境，采用固态光源替代通用照明光源后，就可使我国减小数亿吨级的大气污染，有效地 保护地球的生态环境。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？目前市场上流行的照明器材，无论是白炽灯还是荧光灯，或是气体放电灯，均为真空或 充气状态的玻壳制品。 而固态白光是一种纯固体的白色发光源， 这种光源由半导体材料制成， 又称之为半导体白光器件， 或是 LED 发光器件。 高亮 LED 的出现特别是 GaN 基蓝绿色 LED 的崛起使 LED 的用途发生了革命性的变革――从指示灯转向了照明。上世纪末的白色 LED 的发明，使用权人类的照明产业进入了一个崭新的时期。由于人类照明革命的巨大市场与对 人类生存及发展的无限意义，可以毫不夸张地认为，即将发生的照明革命，其意义与深远影 响绝不来于上二个世纪发生的二次技术革命（蒸汽机时代与微电子时代） 。二十一世纪让我 们进入了一个固体照明的新时代。 科学家预言，二十一世纪将是微电子和光电子协同作战，共同发挥作用的时代。微电子 和光电子是信息技术赖于迅猛发展的二个轮子，缺一不可。而固态照明正是二十一世纪科技 进步的最新成果。 半导体照明的早日实现将使用权长达 120 多年的从爱迪生发明白炽灯开始 的传统照明时代划上圆满的句号。这不但是人类照明历年与照明技术的巨大革命，更会对人 类生活的改善带来革命性的推动作用，是对人类进步过程的一个巨大贡献。 由于 LED 在照明方面的发展潜力， 一些先进国家与地区对 LED 的发展制定了国家级的 发展计划。日本从 1998 年开始实施“21 世纪光计划” ，预计 2010 年白光 LED 的发光效率达 到 120lm/w，到 2020 年希望能取代 50%的白炽灯及全部荧光灯。美国也投入 5 亿美元巨资， 启动“下一代照明光源计划” ，旨在未来 400 亿美元的照明光源市场的竞争中能领先于日本， 欧洲与韩国，打算到 2020 年使用 LED 的发光效率达到 200lm/w，远远超过目前各类传统照 明光源的效率。预测到 2010 年，美国将有 55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯所替代，每年 可节电 350 亿美元。此外，韩国、西欧、台湾与中国大陆都在紧锣密鼓启动各自的“半导体 照明计划” 。如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统照明光源的浪潮，必将汹涌澎 湃，势如破竹，成为二十一世纪的大势所趋，无可阴挡。面对半导体照明市场的巨大诱惑， 世界三大照明工业巨头，通用电气、飞利浦、欧司朗等大公司纷纷与半导体公司合作成立半 导体照明企业，一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战已经在全球打响。12、哪些产业是 LED 产业链的构成部分？LED 产业链大致可以分为五个部分。一、原材料。二、LED 上游产业，主要包括外延材料和芯片制造。三、LED 中游产业，主要包括各种 LED 器件和封装。四、LED 下游产业， 主要包括各种 LED 的应用产品产业。五、测试仪器和生产设备。 关于 LED 上游、中游和下游产业，下面将有详细介绍这里重点介绍原材料产业和测试 仪器和生产设备产业。 LED 发光材料和器件的原材料包括衬底材料砷化镓单晶、 氮化铝单晶等。 它们大部分是 III-V 族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟，已有开启即用的抛光征供货。其他原材料 还有金属高纯镓，高纯金属有机物源如三甲基镓、三乙基镓、三甲基烟、三甲基铝等，高纯 气体氨、氮氢等。原材料的纯度一般都要在 6N 以上。封装材料有环氧树脂、ABS、PC、PPD 等。 外延材料的测试仪器主要有 x 射线双晶衍射仪，荧光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等。 芯片、器件测试仪器主要有 LED 光电特性测试仪，光谱分析仪等，主要测试参数为正反向 电压、电流特性、法向光强、光强角分布、光通量、峰值波长、主波长、色光标、显色指数 等。生产设备则有 MOCVD 设备、液相外延炉、镀膜机、光刻机、划片机、全自动固晶机、 金丝球焊机、硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、 光色电全自动分选机等。18、当前我国 LED 产品与国际先进相比，主要差距在哪里？当前我国 LED 产业与国际先进相比，差距主要反映在产品水平较低和研发能力不足上。 从产品水平方面看越到上游，水平差距越大。如 LED 屏幕技术，与国外先进水平差距不大， 道路交通信号灯技术水平与国外先进水平略有差距，差距最大的是外延方面，主要反映在光 学性能上， 还反映在均匀性和成品率上， InGaAlP 外延片制成的芯片， 如 国外最高已达 200～ 300mcd/20mA，而国内仅 100~200。InGaN 蓝光和绿光数据也相差近一倍。至于在新产品的 研发能力上，差距显得更大些，目前我们外延产品的结构，还全是仿照他人的，应积极开展 创新型研发工作，做出具有我们自主知识产权的东西来。在大功率 LED 芯片的研发上，发 光效率也大致相当于先进水平的一半，如白光在日本日立和美国 Lumiled 公司已有 50lm/w 的产品，而我们研发的最高水平仅为 25.7lm/w，发光效率只有 19.3lm/w。大功率 LED 用国 外芯片能封出 30lm/w 器件。低档和中档的各种形状的 LED 我国现在都能生产。在 LED 大 屏幕产品水平上还有一定差距，而在应用产品的开发上，如液晶背光源，汽车灯方面也有一 定差距。 诚然经过努力，我们也有一些开发产品具备了国际上的先进水平。如硅衬底上外延 InGaN，已取得 30mcd/20mA 的芯片成果。而在道路交通信号灯和航标灯方面也达到了与国 际先进相当的产品水平，并取得了较好的市场业绩。值得高兴的是，近二年，特别是国家半导体照明工程启动以来，产品水平和开发水平提 高的速度明显加快，出现上、中、下游全面启动的好现象，按这样的发展趋势，逐步赶上国 际先进水平是指日可待的。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？发光二极管的实质性结构是半导体 PN 结。在 PN 结上加正向电压时注入少数载流子， 少数载流子的复合发光就是发光二极管的工作机理。PN 结就是指在一单晶中，具有相邻的 P 区和 N 区的结构，它通常是在一种导电类型的晶体上以扩散、离子注入或生长的方法产生 另一种导电类型的薄层来制得的。如曾用离子注入法制成碳化硅蓝色 LED，用扩散法制成 GaAs、GaAs0.60P0.40/GaAs0.35P0.65：N/GaP、GaAs0.15P0.85：N/GaP、GaP：ZnO/GaP 的 红外、红光、橙光、黄光、红光 LED，而 GaAlAs、InGaN、InGaAlP 超高亮度 LED 都是由 生长结制成，效率较高的 GaAs、GaP：ZnO/GaP 和 GaP：N/GaP LEDPN 结也是用生长结制 成的。生长结一般较扩散法和离子注入法是过补偿制成 PN 结，无用杂质过多且造成晶体质 量下降，缺陷增多，使用权非辐射复合增加，导致发光效率下降。 常用来制造 LED 的半导体材料主要有砷化镓、磷化镓、镓铝砷、磷砷化镓、铟镓氮、 铟镓铝磷等 III-V 族化合物半导体材料，其他还有 IV 族化合物半导体碳化硅、II-VI 族化合 物硒化锌等。22、当前生产超高亮 LED 的外延方法主要有几种？什么是 MOCVD？当前生产超高亮 LED 的外延方法主要有两种，即液相外延生产 AlGaAs LED 和金属有 机物化学气相淀积（MOCVD）生产 AlGaAs、AlGaInP 和 InGaN LED。其中尤以 MOCVD 方法为主。 一九六八年，Manesevil 等人用三甲基镓（TMG）做镓源 AsH3 做 As 源，H2 作载气在绝 缘衬底（Al2O3 、MgAlO4 等）上首次成功地气相淀积了 GaAs 外延层，创立了金属有机物 化学气相淀积技术。后来的研究表明这是一种具有高可靠性、控制厚度、组成惨杂浓度精度 高，垂直性好、灵活性大、非常适合于进行 III-V 族化合物半导体及其溶体的外延生长，也 可应用于 II-VI 族等，是一种可以实现像硅外延那样大规模生产的工艺，具有广阔发展前途， 目前是生产 AlGaInP 红色和黄色 LED 和 InGaN 蓝色、绿色和白色 LED 的可工业化方法。 由于 MOCVD 的晶体生长反应是在热分解中进行的，所以又叫热分解法。通常用 III 族 烷基化合物（Al、Ga、In 等的甲基或乙基化合物）作为 III 族源，用 V 族氢化物（NH3、PH3、AsH3 等作为 V 族源。由 III 族烷基化合物在室温附近是蒸气压较高的液体，所以用氢气作载 气鼓泡并使之饱和， 再将其与 V 族氢化物一起通入反应炉中， 即在加热的衬底上进行热分解， 生成化合物晶体淀积在衬底上。 先进的 MOCVD 设备应具有一个同时生长多片均匀材料，并能长期保持稳定的生长系 统。设备的精确过程控制是保证能重复和灵活地进行生产优质外延材料的必要条件。所以设 备应具有对载气流量和反应剂压力的精密控制系统， 并配备有快速的气体转换开关和压力平 衡装置。将用合适结构，使用权热场均匀，并保证具有满意的结晶质量和表面形貌和外延炉 内、片与片、炉与炉之间的均匀性。 目前国际上供应 MOCVD 设备的公司主要有三个，即美国 Veeco 公司、德国的 Aixtron 公司和美国的 Thomas Swan 公司。27、请可否能深入浅出地介绍一下 LED 芯片的制造流程。LED 芯片制造主要是为了制造有效可靠的低欧姆接触电极能满足可接触材料之间最小 的压降及提供焊线的压垫，同时要满足尽可能多的出光。主要流程如图 27-1外延材料检验清洗镀膜光刻合金入库包装检测切割图 27-1 镀膜工艺一般用真空蒸镀方法， 其主要在 1.33*10-4pa 高真空下用电阻加热或电子束轰击 加热方法使材料熔化在低气压下变成金属蒸气沉积在半导体材料表面， 一般所用 P 型的接触 金属的包括 AuBe,AuZn 等，N 面的接触金属常采用 AuGeNi 合金，镀膜工艺中最常出现的 问题是镀膜前的半导体表面清洗，半导体表面的氧化物，油污等杂质清洗不干净往往造成镀 膜不牢，镀膜后形成的合金层还需要通过光刻工艺将发光区尽可能多露出来，使留下来的合 金层能满足有效可靠的低欧姆接触电极，及焊线压垫的要求，正面最常用到的形状是圆形， 对背面来说若材料是透明的也要刻出圆形如图 27-2 所示图 27-2 光刻工序结束后还要通过合金化过程。合金化通常是在 H2 或 N2 保护下进行。合金化 的时间温度通常是根据半导体材料特性。合金炉形式等因素决定，通常红黄 LED 材料中的 合金化温度在 350 度到 550 度之间。合金化成功后半导体表面相邻两电极间的 I-V 曲线通常 是成直线关系，当然若是半绿等芯片在电极工艺还要复杂要增加钝化膜生长，等离子刻蚀工 艺等。 红黄 LED 管芯切割方法类似于硅片管芯切割工艺。普通使用的是金刚砂轮刀片。其刀 片厚度一般为 25um。对于兰绿芯片工艺来说，由于衬底材料是 Al2O3 要先用金刚刀划过以 后掰裂的方法。 发光二极管芯片的检测的根据一般包括测试其正向导通电压，波长，光强，及反向特性 等。 芯片成品包装一般包括白膜包装和蓝膜包装。白膜装一般是有焊垫的面粘在膜上，芯片 间距也较大适合手动。蓝膜包装一般是背面粘在膜上。芯片间距较小适合自动机。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？LED 的亮度主要取决于外延方法和外延质量好坏， 在芯片制造过程中采取不同的方法也 可提高一些光强即提高外量子效率，但是程度有限。现在使用最方泛的方法是进行表面粗化 工艺。粗化的原理是增加发光面积。该方法适用于黄，绿，普红，普黄。等 GaPa 基材的外 延片，另外红外 LED 也可采用该方法。这种方法一般可以提高 30%。 另外有一种方法是覆盖一层增透膜。由于发光二极管晶体的折射率比较高，当光线射向 晶体表面时，在晶体和空气的交界面上就要产生折射。若假定该晶体的折射率为 N1，入射 角为θ 1，在空气折射率为 N2，折射角为θ 2 时，如图 29-1：空气 N3 空气 N2 θ1θ3折射光 N2 θ 2=90° N2 介质层 半导体表面 θ2 121 2 N1 θc θ2θ1折射光半导体表面 N1a图 29-1bc根据折射定律，可得： NIsinθ 1=N2sinθ2(29-1)C 表示，即从式（29-1）知，当θ 2=90°时的θ 1 称为入射临界的半角用θ θ C=arcsinN2/ N1 显然当θ 1&=θC=17.7 C 时光线全部被反射向晶体内部，如果在(29-2) LED 晶体与空气之间镀一层中等折射率的介质层可增大临界角θ C。比如 GaP 的 N1=3.3 如果还没有介质层则临界角θ 度。覆盖一层 N2=1.66 的介质层后θC 可能增大到了30.3 度，光强可提高为 2.5 倍。目前通过工艺和结构上的改进可以提高芯片的出光效率，归纳起来有如下几种有效方 法： （1） 透明衬底技术 通常 LED 的衬底用 GaAs 材料，但 GaAs 是一种吸光材料，LED 发出的光会被它吸收， 降低出光效率。为此，在外延成 PN 结后，用腐蚀的方法 GaAs 衬底去除，然后在高温条件 下将能透光的 GaP 粘贴上去做衬底， PN 结射出光通过金属底板反射出去， 使 提高出光效率。 这种方法在制作 InGaAlP 四元芯片时，在去除 GaAs 衬底后先用粘贴方法制作一层金属 镜面反光层，然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高。（2） 芯片表面粗化法 由于 GaN 的折射系数η 1=2.3，与空气折射系数η 1=1 相差较大，其余反射临界角仅为 25°，使大部分光不能逸出到空气中去，出光效率较低。为此，通过改变 GaN 与空气的介 面的几何形状，使全反射临界角增大，提高出光效率，这就是通过芯片表面粗化的方法来实 现。图 29-2 示出芯片出光面示意图。MQ W WW 衬 底 W 图 29-2 （3）芯片倒梯形结构。CREE 公司有一款芯片采用倒梯形结构后也提高了光强，如图 29-3。由于这种结构的芯片其边缘部分的全反射临界角增大，光子逸出率提高，并能从碗腔 射出，提高光强和出光效率。 P MQW 金属反射层 WN衬底图 29-3 （3） Flip-chip 技术。参见第 35 题。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？LED 芯片大小根据功率可分为小功率芯片中功率芯片和大功率芯片。 根据客户要求可分 为单管级数码级，点陈级。以及装饰照明用。至于芯片的具体尺寸大小是根据不同芯片生产 厂家的实际生产水平而定。 没有具体要求。 只要工艺过关芯片小可提高单位产出并降低成本。光电性能并不会发生根本变化，芯片的使用电流大，他们的单位电流密度基本差不多。如果 10mil 芯片的使用电流是 20mA 的话，那么 40mil 芯片理论上使用电流可以提高 16 倍即 320mA。但是考虑到散热是大电流下的主要问题，所以他的发光效率比小电流低，另一方面 由于面积增大，芯片的体电阻会降低，所以正向导通电压会有所降低。34、请介绍一下“透明电极”芯片的结构与它的特点？所谓透明电极一是要能够导电，二是要能够透光。这种材料现在最广泛应用在液晶生产 工艺中，其名称叫氧化铟锡，英文缩写 ITO，但它不能作为焊垫使用。一般结构如图 34-1。 制作时要在芯片外延表面做好欧姆接触电极，然后在表面覆盖一层 ITO，再在 ITO 表面镀一 层焊垫。这样从引线上下来的电流通过 ITO 层均匀分布到各个欧姆接触电极上，同时 ITO 由于折射率处于空气与外延材料折射率之间，可提高出光角度，光通量也可增加。透明电极（ITO） 外延层焊垫P 层电极衬底35、什么是“倒装装芯片” （Flip Chip）?它的结构如何？它有哪些优点？普通蓝光 LED 芯片结构如图 35-1： 蓝光 LED 通常采用 Al2O3 用衬底硬度高、热导率和电导率低，如果采用正装结构，一方 向会带来防静电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会成为最主要的问题。同时由于 正面电极朝上，会遮掉一部分光，发光效率会降低。大功率蓝光 LED（如图 35-2）通过芯 片倒装技术（FLIP CHIP）可以比传统的封装技术得到更多的有效出光。 现在主流的倒装结构做法是：首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸蓝光 LED 芯 片。同时制备出比蓝光 LED 芯片略大的硅衬底，并在上制作出共晶焊的金导电层及引出导 线层（超声金丝球焊点） 。然后，利用共晶焊接设备将大功率蓝色 LED 芯片与硅衬底焊接在 一起。这种结构的特点是外延层直接与硅衬底接触，硅衬底的热阻又远远低于蓝宝石衬底，所以散热的问题很好地解决了。 由于倒装后蓝宝石衬底朝上， 成为出光面， 蓝宝石是透明的， 因此出光问题也得到解决。如果在外延表面作一层金属反光层，那么有源层向下发的光通过 金属镜面反射向上，通过 Al2O3 衬底向外发射，提高了出光效率。36、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么？随着半导体 LED 技术地发展，其在照明领域的应用也越来越多，特别是白光 LED 的出 现，更是成为半导体照明的特点。但是关键的芯片、封装技术还有待提高，在芯片方面要朝 大功率、高光效和降低热阻方面发展。提高功率意味着芯片的使用电流加大，最直接的解决 方法是加大芯片尺寸，现在普遍出现的大功率芯片都在 1mm?1mm 左右，使用电流在 350mA。由于使用电流的加大，散热问题成为了突出问题，现在通过芯片倒装的方法基本在 350mA。由于使用电流的加大，散热问题成为了突出问题，现在通过芯片倒装的方法基本解 决了这一问题。随着 LED 技术的发展，其在照明领域的应用会面临一个前所未有的机遇和 挑战。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？LED 芯片的封装形式很多， 针对不同使用要求和不同的光电特性要求， 有各种不同的封 装形式，归纳起来有如下几种常见的形式： （1）软封装――芯片直接粘结在特定的 PCB 印制板上，通过焊接线连接成特定的 字符或陈列形式，并将 LED 芯片和焊线用透明树脂保护，组装在特定的外壳中。这种钦封 装常用于数码显示、字符显示或点陈显示的产品中。 （2）引脚式封装――常见的有将 LED 芯片固定在 2000 系列引线框架上，焊好电极引 线后，用环氧树脂包封成一定的透明形状，成为单个 LED 器件。这种引脚或封装按外型尺 寸的不同可以分成φ 3、φ 5 直径的封装。这类封装的特点是控制芯片到出光面的距离，可以 获得各种不同的出光角度：15°、30°、45°、60°、90°、120°等，也可以获得侧发光 的要求，比较易于自动化生产。 （3）微型封装即贴片封装――将 LED 芯片粘结在微小型的引线框架上，焊好电 极引线后，经注塑成型，出光面一般用环氧树脂包封（4）双列直插式封装――用类似 IC 封装的铜质引线框架固定芯片， 并焊接电极引线后 用透明环氧包封，常见的有各种不同底腔的“食人鱼”式封装和超级食人鱼式封装，这种封 装芯片热散失较好，热阻低，LED 的输入功率可达 0.1W~0.5W 大于引脚式器件，但成本较 高。 （5）功率型封装――功率 LED 的封装形式也很多，它的特点是粘结芯片的底腔较大， 且具有镜面反射能力，导热系数要高，并且有足够低的热阻，以使芯片中的热量被快速地引 到器件外，使芯片与环境温度保持较低的温差。具体见 42 题。38、LED 芯片封装成器件一般的制造程是什么？LED 芯片的封装流程视不同封装结构略有不同，但原则上为如图 38-1 所示的通常使用 的封装流程图芯片扩张固晶焊线灌胶分 光二切测试一切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？（1） 通过封装保护芯片不受气氛侵害和震动、冲击性损害 由于 LED 芯片无法直接使用，必须固定在支架等便于使用的装置中，因此芯片与支架 必须通过“打线”引出加注电流的导线，即引线。这些连线很细，直径仅 0.1mm 以下的金 或铝线不能耐受冲击，另外芯片表面必须不受水、气等物质侵蚀，同样要加以固封保护。这 就要用透明率极高的材料加以灌封。 一般常用透明环氧树脂或透明硅胶类材料将芯片保护起 来。 （2）我们知道，如果芯片与空气直接做界面，由于芯片材料与空气的光折射系数相差 较大，导致芯片内发出的光大部分被反射回芯片，不能逸出到空气中去。以 GaAs 材料与空 气为例，在界面处，芯片的全反射临界角θ c 约为 14°，仅 4-12%的光子能逸出到空气中， 如果用折射系数为 1.5 的环氧树脂与芯片做截面， 则其θ c 约为 22.6°， 则提高了光的逸出率，再用球型环氧树脂与空气作为界面，则其内部的光子几乎绝大部分可以逸出到空气中，仅不 到 4%的被反射， 因此， 通过选择封装材料的折射系数与芯片作界面进行封装， 可以提高 LED 的出光效率。 （3）增大芯片上热量散失的能力 芯片通过引线支架，可以将芯片由于施加功率引起温度升高的热量导出到空气中去，也 就是可以提高芯片 PN 结上施加的电功率，提高芯片使用的可靠性，改善因结温升高而引起 的光电参数的退化。 （4）方便 LED 的组装与使用。 由于 LED 封装的形式较多，对于不同的使用场合和安装上的要求，可以选择最有利于 组装和散热的封装，这就使 LED 器件的应用范围得以拓展。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？在 LED 封装过程中，一个很重要的方面是如何达到高的出光效率和符合不同出光要求 的发光配光要求？这就是 LED“一次光学”设计要解决的问题。 LED 裸芯片是无法直接使用的，必须加以封装。与其他半导体器件不同，它要通过封装 将芯片发出的光尽可能多地取出来，不仅如此还要达到不同的出光角度，配光要求。由于这 比较专业，这里仅举例加以简单说明。 图 41-1 示出芯片与某一材料的光线传达输路径的 示意图。其中 n1 是 LED 芯片，例如 InGaN，其折射系 数为 2.3，环氧树脂，其折射系数为 1.5，显然这种平 面结构，芯片射出的光会发生全反射系数为 1.5，显然 这种平面结构，芯片射出的光会发生全反射到芯片内 部的临界角θ c=arcSin(1.5/2.3)≈40.7°， 它较之芯片与 空气直接作界面时的临界角大出 14.3，显然提高出光 率，如果使环氧树脂的几何形状通过设计成一定的透 镜形状，就可以使环氧树脂中的光向空气中射出的路 径进行变化，形成不同的出光角度，如 15°，30°，图 41-1 有源层 n1 n2θ θ2空气环氧树脂c60°，120°等，也可以通过使用 PC 材料作临界面， 将芯片的光通过折射形成平行光，发射出去（聚光） 或从透镜四边侧面射出（侧发光）等不同的配光方式，这就是所谓 LED 封装中的一次光学 设计。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？常见的功率 LED 的封装结构如图 42-1 所示， 在这种封装结构中将 LED 功率芯片用合金 法“烧结”在铜质碗腔内加以固定，引线经焊接将 LED 正负电极与覆铜墙铁壁铝基板上的 焊点连结起来，再用透明硅胶（白光则用荧光粉）覆盖芯片和引线，最后将根据要求的出光 角度的透镜安装在铝基板上，构成一个功率 LED 器件。铝热沉的厚度与面积视 LED 功率大 小的确定，可以有各种不同的尺寸和形式。硅胶 金线透镜 气密环 引出弹点荧光粉层倒装芯片锡连接铜热沉铜热沉由于用 PC 树脂作透镜，可以根据发光的要求的不同，设计出聚光型，发散型，侧光型 等透镜。 集成多芯片封装――这种封装形式就是将多个 LED 芯片组装在同一个基板上，根据使 用要求用印刷技术使各个芯片连接成一定的串/并结构，可以用多个使每个芯片出光角度为 一定的小透镜，组成一个大尺寸的出光面，图 42-2 示出这种结构的实样示意图。 随着 LED 应用的拓展和封装技术的提高，各种性能好，成本低，便于大生产的封装方式会层出不穷，越来越多。46、能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺？在功率 LED 芯片封装过程中，芯片与支架底腔的固晶，为了降低粘结层的热阻，可以 采用“合金粘结”的方法。这种方法是将 LED 芯片与支架底腔间放置一种合金材料，通过 加温加压的方法使之共熔粘合固化，是芯片牢固地定位在支架（或热沉）上。 合金粘结的关键是找到芯片衬底蒸镀得金属材料（例如 AuBe）与支架碗腔放置芯片处 的金属镀层（例如金和铅锡等）放置的合金材料在某一温度（称之共晶温度）从而使这三者 共溶固化。一般这一共晶温度可以从合金材料的相图上寻找到，为说明方便，我们举一个铅 锡合金（PbSn）为例对合金工艺作一介绍。图 46-1 图 46-1 示出 PbSn 的相图。由图知：X 轴是 Pb 和 Sn 的配比百分率。Y 轴则是温度。显 然， （A）点是铅的熔点 327℃， （E）点是 Sn 的熔点 232℃，曲线（ （A） （C） （E） ）为表示 Pb 和 Sn 在不同配比时的熔点曲线，其上部是溶化区，即液态区，因此称这条曲线为 Pb-Sn 液相曲线，同样，曲线（A） （B） （C） （D） （E）为 PbSn 的固相曲线，即其下部为固体。这 二条曲线之向的阴影区域为 PbSn 非液非固的塑性区，称为可塑区。仅（C）点处于液相与 固相的交点，周边无可塑区，这一点的温度 183℃，称为共晶温度。假设芯片衬底有一个 Sn 层，支架底腔有一层 Pb 层（或为锡层）中间放一 PbSn 薄层（如 0.1mm）在 183℃下即可进 行合金作粘结层，这就是所谓的合金法，一般，在 LED 封装中用金锡合金作粘结层较多，只要利用金锡的相图可以找到一定配比的共晶温度。 由于合金材料导热系数较之银胶等高一个数量级，因此可以大幅度降低这一层面的热 阻，有利于将芯片内的热量导出到芯片外，增大 LED 功率容量。48、白光 LED 是通过哪些方法来实现的？目前 LED 实现白光的方法主要有三种： （1） 通过 LED 红、蓝、黄的三基色多芯片组合发光合成白光； 优点：效率高、色温可控、显色性较好。 缺点：三基色光衰不同导致色温不稳定、控制电路较复杂、成本较高。 （2） 蓝光 LED 芯片激发黄色荧光粉，由 LED 蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光， 为改变显色性能还可在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉； 优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好。 缺点：一致性差、色温、角度变化。 （3） 近紫外光 LED 芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。 优点：显色性好、制备简单。 缺点：目前 LED 芯片效率较低、有紫外光泄漏问题、荧光粉温度稳定性问题有待解决。49．当前制造白光 LED 的主流方法是什么？基于三基色原理，目前 LED 实现白光的方法主要有多种，其中技术相对简单的主流方 法是在 GaN 基蓝光 LED 芯片上涂一层黄色荧光粉，一部分蓝光激发荧光粉产生黄绿光，与 直接透过荧光粉的蓝光混合产生白光，目前已实现批量生产。50．白光 LED 当前具有代表性的产品的水平如何？白光 LED 当前具有代表性的产品是美国 Lumileds 公司生产的功率 LED 光源， 这种光源 称之为“Luxeon Emitter” ，它是 Luxeon 系列产品基本形式（1 瓦） ，现将在其网站上公布的 性能水平归纳于下表： 表 50-1 Luxeon Emitter 型号 LXHL-BW02 LXHL-BW03 颜色 白色 暖白色 工作电流 IF=350mA 光通量典型 值ф V （lm） 25 20 结温 TJ=25℃ 正向电压典 型值 VF （V） 3.42 3.42 光束空间分 布类型 蝙蝠翼型 蝙蝠翼型色温（K）LXHL-P01 LXHL-DW01白色 白色25 223.42 3.42朗伯型 侧射型51．什么是色温？什么是显色指数？⑴色温是用来表示光源颜色的量，当光源发射的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相 同时，黑体的温度（TC）称为该光源的颜色温度或叫色温。为了求得光源的色温，需先求得 它的色度坐标，然后在色度坐标图上由 CIE1960UCS 推荐的 ISO 色温线求取色温。对于相对 光谱功率分布偏离黑体相对光谱功率分布较远的光源， 用色度坐标与其靠近的黑体温度来表 示该光源的相关色温，在色温线上求取相关色温。 ⑵光源的显色指数是光源显色性的定量描述，表示符号为 Ra。光源对物体颜色呈现的程 度称为显色性，也就是颜色逼真的程度，显色性高的光源对物体再显较好，我们所看到的颜 色也较接近自然原色；显色性低的光源对颜色的再现性差，我们看到的颜色偏差也较大。国 际照明委员会 CIE 把太阳的显色指数定为 Ra=100， 各类光源的显色指数各不相同。 显色性是 照明设计上非常重要的参数，直接影响被照物品灯光下颜色真实的效果。52．照明领域对白光 LED 的光电性能有哪些基本要求？照明领域对白光 LED 的光电性能的基本要求一般以瓦级单芯片封装的白光功率 LED 来 表示： ⑴发光效率：≥20lm/W(Ip=350mA) ⑵发光通量：=发光效率?正向电压?350mA ⑶色温：K ⑷显色指数：70-85 ⑸热阻：≤20℃/W ⑹寿命：1-5 万小时 53．能否从照明光源的基本性能上列表比较一下白炽灯、荧光灯与白光 LED 的优劣？ 表 53-1 白炽灯、荧光灯与目前白光 LED 基本性能的优劣比较 名称 光效（lm/W） 显色指数（Ra） 色温（K） 平均寿命（h） 价格（美元/lm） 白炽灯 15 100 .003 荧光灯 70-100 70-98 系列化
白光 LED 30 70-85 000 3.6耗电成本 （美元/lm? h） 照明面发热量 量产技术 0.7 高 成熟 ⑴低效率高耗电 存在问题 ⑵维护频 ⑶灯炮易碎 0.2 中 成熟 0.4 低 待改进⑴ 废 弃 汞 蒸 汽 破 ⑴光效待提高 坏环保 ⑵散热技术尚待 ⑵灯管易碎 改进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？需克服哪些障碍和基本技术关键主要有以下几个方面： ⑴发光效率障碍 LED 发出的光由于具有单色性，不需外加彩膜（滤光片） ，而白炽灯加彩膜后其有效发光 效率仅为白炽灯原来光效的 1/10，所以 LED 在交通灯、建筑装饰、汽车警灯等应用领域，由 于其效率高、节省电能被广泛使用，正在逐步取代带彩色膜的白炽灯。然而照明光源多为白 光，目前白光 LED 用于局部照明，节能效果有限。只有白光 LED 的发光效率远高于荧光灯达 到 150-200lm/W 才会有明显的节能效果， 因此 LED 光源取代传统光源的最大障碍是其发光效 率。 ⑵价格障碍 价格是 LED 光源取代传统光源需克服的另一障碍。目前 LED 光源的价格每流明高于 0.1 美元，是白炽灯价格的 100 多倍。美国 Lumileds 公司提出，在未来的几年内争取降至 0.01-0.02 美元/lm，即约折合人民币 0.1 元/lm，1 支相当 60W 白炽灯的 LED 光源仍需支付 60 元人民币，计入性能价格比，虽然会被特殊应用所接受，但 LED 作为普通光源进入家庭， 这样的价格还是一大障碍。 ⑶功率 LED 制作技术 功率 LED 是实现白光照明取代传统照明光源的关键器件，其基本的关键技术包括： ? 提高外延片内量子效率 优化外延片结构，改进外延生长工艺条件，使蓝光、紫光、紫外光外延片的内量子效率 能够接近理论值 95%。 ? 提高大尺寸芯片的外量子效率 为了获得较大光能量需要采用大尺寸的功率型芯片， 通过设计新型芯片结构和采用新工艺（如芯片倒装结构、ITO 电极、表面粗化工艺、表面纹理结构、晶片键合工艺等） ，使蓝光、 紫光、紫外光芯片的外量子效率达到 50%以上。 ? 提高封装的取光效率 优化和改进封装的光学、热学和可靠性设计和工艺（如反射杯、透镜、散热通路、共晶 焊接、柔性胶灌封等） ，使封装的取光效率能够与芯片的外量子效率接近。 ⑷荧光粉的制作和涂敷技术 ? 高性能荧光粉的制造技术 荧光粉是 LED 实现白光照明的关键材料，需要尽快研制出效率高、显色性好、性能稳定 的荧光粉。蓝光激发的黄色荧光粉目前虽能满足白光 LED 产品的要求，但还需提高效率、降 低粒度，制备出球形的荧光粉；在“蓝光+绿色荧光粉+红色荧光粉”的结构中，红色荧光粉 的效率需要有较大的提高；在“紫外和紫外 LED+三基色荧光粉”的结构中，三种荧光粉都需 要有较大的提高，其中红色荧光粉目前效率最低，还有待于找到一种效率足够高的材料。 ? 荧光粉的涂敷工艺技术 荧光粉的涂敷工艺通常是将荧光粉用胶按一定比例调和成荧光胶， 再用点胶机将其涂到 LED 芯片上，通过优化工艺参数如荧光粉与胶的配比、荧光粉激发波长与 LED 芯片峰值波长 的匹配、荧光胶的流动性及涂敷厚度等，使白光 LED 的色温、显色指数、流明效率等参数受 控，作出符合应用要求和一致性好的白光 LED 产品。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？单色光的光谱为单一波峰，特性是以峰值波长（或主波长）及光谱半宽度来表示的，而 白光 LED 的光谱由多种（红、绿、蓝）单色光谱合成，其光谱曲线显现出多个不同幅度的波 峰，其特性是以色度图中色坐标的色温来表示，这就是二者的区别，如图 55-1 和图 55-2 所 示。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？所谓“绿色照明系统”就是使用高效率、长寿命、高可靠无害物质污染环境的照明光源 和再生能源的照明系统。因为： ⑴白光 LED 具有体积小、重量轻、工作电压低、长寿命、高可靠等优点，而且它将比普 通光源效率更高、更省电，并且它不含有汞、铅等对环境有害物质。 ⑵太阳能是最典型的“绿色”能源之一，它是人类取之不尽、用之不竭的清洁能源。根 据半导体光生伏特效应制成的太阳能电池即光生伏特电池， 由这种太阳能电池组件与储能装 置、控制装置配套构成太阳能供电系统。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用 方便、无污染等优点。白天阳光照射到太阳能电池板组件上产生电流，经由充电控制器流入蓄电池，夜间充电器自动切断充电，接通蓄电池提供电能给白光 LED 使其发光实现照明。 因此用太阳能电池与白光 LED 组合的照明系统属于“真正的绿色照明”系统。 57．何谓 LED 的伏安特性？LED 的电功率是如何计算的？ 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，因此其电压-电流之间的相互作用关系，一般称为伏特（电压 V）和安培（电流 A）特 性（简称 V-I 特性）与普通二极管类同，它们均遵循 PN 结整流方程，即有下式近似表示的 关系： IF=IF（0）eqVF/KT 式中：IF（0）为反向饱和电流（又称起始电流） q 为电子电荷量 K 为玻尔兹曼常数 T 为绝对温度 （57-1）式可看出，IF 与 VF 呈指数关系，这是 LED 的正向 V-I 关系，即施加在 LED PN 结上的电压是正向电压即 N 型端加负电压，P 型端加正电压。 当在 LED PN 结上施加反向电压 VB 时，在 VB 较低时，流过 LED PN 结的电流很微弱， 几乎为零，这时流过 PN 的电流 IF（0）称为反向饱和电流。但当 VB 增加到一定值时，流 过 LED PN 结的电流会急剧增加，产生所谓的齐纳电流或雪崩电流，此时即使微小的△VB 将会导致 PN 结电流无限制增加直至烧毁 LED 的 PN 结。我们称这个电压为 LED 的击穿电 压。图 57-1 是 LED 电压-电流即伏安特性的示意图。在第一象限的曲线正向特性区，在第Ⅲ 象限的曲线为反向特性区。在 LED 的正向特性区，V-I 曲线的斜率称为 LED 的跨导，即式 （57-1）对 VF 的求导： (57-1)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？从理论上讲，当我们在 LED 的 PN 结上施加正向电压时，PN 结会有电流流过。如前所 述，电子和空穴在 PN 结过渡层中复合会产生光子，然而并不是每一对电子-空穴对复合的载 流子都会产生光子，由于 LED 的 PN 结作为杂质半导体，存在着因材料品质缺陷，位错等因 素，以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、本征激发散射和晶格散射等问题，使电子从 激发态跃迁到基态时会与晶格电子或离子交换能量而产生无辐射跃迁，也就是不产生光子， 这部分能量不转换成光能而转换成热能损耗在 PN 结内，于是就有一个复合载流子转换成光 子的转换效率问题存在。可以用（59-1）表示这一转换效率，并用符号η int 表示。 η int=（复合载流子产生的光子数/复合载流子总数）?100% （59-1）当我们无法支计数式（59-1）中的复合载流子总数和产生的光子总数。一般是通过测量LED 输出的光功率来评价这一效率，这个效率η int 就称为内量子效率。 当然，提高内量子效率要从 LED 的制造材料，PN 结外延生长工艺以及 LED 发光层的 出光方式上加以研究才可能提高 LED 的η int。这方面经过科技界的不懈努力，已有显著提 高，从早期的百分之几已提高到百分之几十，有了很长足的进步，虽然如此，我们还有提高 η int 的较大空间。假设 LED PN 结中每个复合载流子都能产生一个光子，是不是可以说， LED 的电-光转换效率就达到 100%？回答是否定的。 从半导体理论可以知道，对于不同的材料和外延生长工艺的不同，所制成的 LED 的发 光波长是不同的。假定，这些不同发光波长的 LED 其内量子效率均达到 100%，但由于一个 电子从 N 层运动到 PN 结有源层和一个空穴从 P 型层运动到 PN 结有源层，产生复合载流子 所需的能量 E 与不同波长的 LED 的能带位置相关而不都一样。而不同波长的光子的能量 E （λ ）也是不同的，电能到光能的变换有必然的损耗，我们下面举例加以说明： 例如一个λ D=630nm 的 GaInAIP 四元橙色 LED，其正常偏置约为 VF≌2.2V，于是意味着 它的一个电子与一个空穴复合成一个载流子所需的电热能 ER=2.2ev， 而一个λ D=630nm 的光 子的势能为 E λ ） （ =bc/λ D≌.97ev， 于是电能到光能的转换效率μ （e-L） =1.97/2.2 R ?100%≌39.55%，即有 0.23ev 的能量损失。 （文中 ev 为电子伏特） 如果对一个 GaN 的蓝光 470nm 的 LED， VF≌3.4V， 则 于是 EB≌3.4ev， EB 而 （λ ） ≌ ≌2.64ev，于是μ =2.64/3.4?100%≌77.64%，这是在假定μ 的效率μβ int int=100%时若 LED 的电―光转换（e-L）=60%， 则对与红色 LED μ（e-L）R=89.55%?60%=53.73%，而对于蓝色 LED 则有μ=77.64%?60%=46.58%。可见到目前为止 LED 的光―电转换效率不是很高的一个原因所在。60、LED PN 结有源层发出的光子能否 100%逸出到空气中？上面已经了解到 LED PN 结有源层的电―光转换效率不是很高，有相当一部分电能没有 转换成光源，而是转换成热能损耗在 PN 结内，成为 PN 结的发热源。人们正在通过材料、工 艺等机理上的努力去提高这一效率，但是即使我们在 LED 加上例如 1W 的电功率，它能将这 个电功率全部变成 1W 光功率，那么我们要问：这些光子能否全部逸出到空气中被人们“看 见”？回答也是否定的。于是就有一个 LED 光子逸出率的问题存在。可以用（60-1）式来表 示 LED 中产生的光子逸出到空气中的比率。 μont=（逸出到空气中的光子数/PN 结产生的光子总数）?100%（60-1）我们可以称（60-1）为 LED 的外量子效率。为方便说明，我们假定 LED 的材料为 GaAs， 其材料的折射系数为 n1=3.9 与芯片接触的界面是空气， 它的光折射系数 n0=1， 由光的传播理 论中的光线折射定律可以知道，二种不同材料的界面在折射系数不相同时，其垂直于界面的 光的反射指数可用式（60-2）来表示： R(L)=[(n1 - n0 )/ (n1 + n0 )]2?100% 对于 GaAs 与空气则有： （60-2）R(L)=[(3.9 - 1 )/ (3.9 + 1 )] ?100%=35.02% 这就是说， 35.02%的光子将被反射回 GaAs 材料中即反射回芯片内不能逸出到空气中， 有 仅有 64.98%有可能逸出到空气中。然而，LED 的发光若是一个点光源时，其边界全发射临界 角θ C 与界面二种材料的折射系数有关，并由（60-3）式确定： θ C=arcSin(n0/n1) 对于 GaAs 和空气：θ C= arcSin(1/3.9)=14.90° 边界全发射临界角为 29.8°， 超过这个角度不能发射到空气中， 显然这对一个球面而言， 这个角度仅 8.27%的区域能全发射，显然外量子效率是极低的。 当然对 LED 芯片来说，它是一个六面体，并非点光源，在不计电极挡光时，这个六面体 的六个面均可有一个全发射临界角，共可有 49.6%的出光区域。事实上，LED 由于要引出电 极，固定在引线框架上等原因，还做不到六个面出光，也就是达不到 49.6%的全发射区域。 LED 外量子效率一般仅在 20%左右，它还有很大的提升空间，就是要从 LED 芯片结构，封装 结构，材料折射系数等综合多方面因素加以解决，来提高效率。 （60-3）262、能否简述一下提高 LED 芯片电一光转换效率的意义何在？通过上述几个问题的回答，我们已基本上了解目前 LED 芯片的电一光转换效率不是很 高，也就是说其内量子效率和外量子效率都有很大的提高空间，需要 LED 科技、产业界去 努力改进。 内量子效率的改进，从改进半导体材料的杂质、位错和缺陷着手，另外从 PN 结生长工 艺上加以改善，在芯片结构和形状设计上也有提高的余地，要做较多的工作，并要充分开拓 新材料、新工艺以取得效率提高上的突破。 在芯片电极设计和电极引出上采用新的构思和工艺方法， 在这方面近年已有较大提高与 突破。另外，在材料、光学设计方面均要加以改进，总之要做的工作很多，电一光转换效率 达到一定值 LED 可以成为传统光源的取代者。 LED 电一光转换效率不高引起的另一个问题在于 PN 结内部电能损耗为热能， 引起 LED 芯片发热，过高的热量会引起 LED PN 结的退化，具体表现为光电参数的变劣，因此提高 LED 芯片的电一光转换是从根本上解决 LED 热退化的关键所在， 也是 LED 能否真正取代传 统光源的技术关键所在。63、衡量 LED 器件光电转换优劣的参数主要有哪些？LED 作为电一光转换的发光器件，衡量其性能优劣的参数很多，有电学的、有光学的，还有热学方面的，但最基本的，可以用它的电一光转换方面的参数来衡量。 对于普通用作指示灯的 LED 器件，常用它在规定电流 IF 下的发光强度一烛光（烛光用 符号 cd 或 mcd）表示）来反映它的电一光转换能力。LED 的发光强度是指其法向方向发出 的光的强度，它与观察的角度相关，不同角度光强不同，这是必须弄清的。光强这一参数对 于用做“看灯”的 LED 比较合适。 对于将 LED 用作“照亮被照物”的照明光源来说，光有发光强度似乎不太适用于 LED 在照明上的评估。但不论 LED 作什么用途，评价它的电一光转换优劣，可以用二个参数， 即发光效率和辐射光通量来评价。 发光效率是指 LED 在规定的电功率下（也可以在规定的 IF 下）它发射出的光的功率的 大小。 知道了 LED 发射的光功率和施加在 PN 结上的电功率， 则他们两者的比就是电一光转 换效率μe-L 即：μ e-L=Plight/Pe?100%. 17%，即 Plight≤170mw，显然它的电光转换效率不是很高。目前 LED 最好的μe-L 约在LED 输出的光功率 Plight 都可以客观反映 LED 的发光能力， 对于可见光或不可见光都一 样，然而不同波长的可见光，尽管其发出一样的光功率，但人眼对其视觉效果却都不一样， 特别是照亮度被照物时的灰度感觉可以有较大差异，不直观。为此人们又用另一参数――辐 射光通量（单位为流明）来评估，它用符号φ 表示。辐射光通量对于人的视觉效果相对比较 一致，不同波长但相同的光通量对于人眼视觉感觉是相同的，较适用于评价照明光源。它的 定义是：在一个所有方向上光强 Iv=1cd 的电光源，其辐射的光通量为 4π 流明（流明符号为 lm） ，用公式表示为（63-1）式： φ =Iv?dΩ 式中 dΩ 为单位辐射立体角 由 （63-1） 式可知 LED 发光强度 Iv=φ /dΩ ， LED 的发光强度是单位立体角的光通量。 即 利用（63-1）式可对φ 和 Iv 进行互换，条件是要知道 dΩ 。 由于辐射光通量对于不同发光波长的 LED 发出的光对人眼的感觉相对上比较统一，因 此被用作 LED 光电参数的衡量依据之一， 它与发射角也无关。 于是在规定的电功率下，LED 辐射的光通量φ 与电功率 Pe 的比被定义作 LED 的流明效率，它由式（63-2）表示，单位为 lm/w。 μ（e-φ ）（63-1）=（φ /Pe）（63-2）流明效率是又一个衡量 LED 电一光转换效率的参数，也是在照明领域来表示单位电功率下光辐射的强弱的常用参数之一。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？单个 LED 的流明效率是在对这一个 LED 时加上规定的正向偏置后， 例如加上：F=20mA I 正向电流后，对应的 IF≈3.4V，此条件下测得的辐射光通量φ =1.2lm，则这个 LED 的流明效 率为： μ（e-φ ）=1.2lm?V?20mA=.6lm/W对于单个 LED，其上所施加的电功率 Pe=VF?IF ，在这功率下的辐射光通量折算为每 瓦多少流明即可。iiVin 12VAC电源LED图 64-1 但是作为一个灯具， 不论作为光源的 LED PN 结上实际加上的功率 VF?IF 是多少， 灯具 的电功率是灯具输入端口送入的电功率，它包括了电源部分（如稳压源、稳流源、交流整流 成直流电源部分等）所消耗的功率，如图 64-1 所示。以一个 MR-16 灯具为例，其工作电原 为 AC12V，用一只 1W LED 作光源，其工作电流 IF=300mA，此时 VF=3.2V，在 LED PN 结 上的电功率为 0.96W，单管的光通量为 17lm，但由于灯具内部存在 AC/DC 变换以及恒}