發光二極管簡稱(cheng)為LED。由含鎵(jia)(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。
當電(dian)(dian)子(zi)與空穴復合時能(neng)輻射出可見(jian)光(guang),因而可以(yi)用來(lai)制(zhi)成發(fa)光(guang)二(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)。在電(dian)(dian)路(lu)及儀器中作為指(zhi)示燈,或(huo)者(zhe)組成文字(zi)或(huo)數字(zi)顯示。砷化鎵二(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)發(fa)紅光(guang),磷化鎵二(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)發(fa)綠(lv)光(guang),碳化硅二(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)發(fa)黃光(guang),氮(dan)化鎵二(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)發(fa)藍光(guang)。因化學性質又(you)分(fen)有機發(fa)光(guang)二(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)OLED和無(wu)機發(fa)光(guang)二(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)LED。
LED最初(chu)用于儀器儀表的(de)指示(shi)性(xing)照明,隨(sui)后擴展(zhan)到(dao)(dao)交通(tong)信號燈。再(zai)到(dao)(dao)景觀(guan)照明、車用照明和手機(ji)鍵盤及背(bei)光(guang)(guang)源。后來(lai)發(fa)(fa)(fa)(fa)展(zhan)出微(wei)型(xing)發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)二極(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(micro-LED)的(de)新技術(shu),其將原(yuan)本發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)二極(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)的(de)尺寸大(da)幅縮小,用可獨立發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)的(de)紅(hong)、藍、綠微(wei)型(xing)發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)二極(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)成陣(zhen)列(lie)排列(lie)形成顯(xian)(xian)示(shi)陣(zhen)列(lie)用于顯(xian)(xian)示(shi)技術(shu)領域。微(wei)型(xing)發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)二極(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)具有自發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)顯(xian)(xian)示(shi)特性(xing),比自發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)顯(xian)(xian)示(shi)的(de)有機(ji)發(fa)(fa)(fa)(fa)光(guang)(guang)二極(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(Organic Light Emitting DiodeOLED)效率高、壽命(ming)較長、材(cai)料(liao)不易受(shou)到(dao)(dao)環境影(ying)響而相對穩定(ding)。
發(fa)光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)極管(guan)(guan)(guan)(guan)與普通二(er)(er)極管(guan)(guan)(guan)(guan)一樣是(shi)由一個PN結組(zu)成,也具(ju)有單向(xiang)導電(dian)性。當給發(fa)光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)極管(guan)(guan)(guan)(guan)加上(shang)正向(xiang)電(dian)壓后(hou),從P區(qu)注入(ru)(ru)到N區(qu)的(de)(de)空穴(xue)和由N區(qu)注入(ru)(ru)到P區(qu)的(de)(de)電(dian)子,在PN結附近數(shu)微(wei)米內分別與N區(qu)的(de)(de)電(dian)子和P區(qu)的(de)(de)空穴(xue)復(fu)合,產生自發(fa)輻射(she)的(de)(de)熒光(guang)(guang)(guang)。不同的(de)(de)半導體材料中(zhong)電(dian)子和空穴(xue)所(suo)處的(de)(de)能(neng)量狀態不同。當電(dian)子和空穴(xue)復(fu)合時釋放出(chu)的(de)(de)能(neng)量多(duo)少(shao)不同,釋放出(chu)的(de)(de)能(neng)量越(yue)多(duo),則發(fa)出(chu)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)波長越(yue)短(duan)。常用(yong)的(de)(de)是(shi)發(fa)紅光(guang)(guang)(guang)、綠光(guang)(guang)(guang)或黃(huang)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)二(er)(er)極管(guan)(guan)(guan)(guan)。發(fa)光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)極管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)反向(xiang)擊穿(chuan)電(dian)壓大于5伏。它(ta)的(de)(de)正向(xiang)伏安特性曲線(xian)很陡(dou),使用(yong)時必須串(chuan)聯限(xian)流電(dian)阻以(yi)控(kong)制通過二(er)(er)極管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)電(dian)流。
發(fa)光(guang)二極管的(de)核心部分(fen)是由P型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)和N型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)組成的(de)晶(jing)片,在(zai)P型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)和N型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)之(zhi)間有(you)一個(ge)過渡層,稱為(wei)PN結。在(zai)某些半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)材料的(de)PN結中,注(zhu)入(ru)的(de)少數(shu)載流(liu)(liu)(liu)子(zi)與(yu)多(duo)(duo)數(shu)載流(liu)(liu)(liu)子(zi)復合(he)時會(hui)把多(duo)(duo)余的(de)能量以(yi)光(guang)的(de)形式(shi)釋放出來(lai),從而把電能直接轉換為(wei)光(guang)能。PN結加(jia)反(fan)向(xiang)(xiang)電壓(ya)(ya),少數(shu)載流(liu)(liu)(liu)子(zi)難以(yi)注(zhu)入(ru),故不(bu)(bu)發(fa)光(guang)。當它(ta)處于正向(xiang)(xiang)工作狀態時(即兩端加(jia)上正向(xiang)(xiang)電壓(ya)(ya)),電流(liu)(liu)(liu)從LED陽極流(liu)(liu)(liu)向(xiang)(xiang)陰極時,半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)就發(fa)出從紫外(wai)到紅(hong)外(wai)不(bu)(bu)同(tong)顏色(se)的(de)光(guang)線,光(guang)的(de)強弱與(yu)電流(liu)(liu)(liu)有(you)關。
傳統發(fa)光二極管所(suo)使用的無(wu)機半導(dao)體物料和所(suo)它們(men)發(fa)光的顏(yan)色
LED材料
材料化學式
顏色
鋁(lv)砷(shen)化(hua)鎵(jia) 砷(shen)化(hua)鎵(jia) 砷(shen)化(hua)鎵(jia)磷(lin)化(hua)物(wu)磷(lin)化(hua)銦(yin)鎵(jia) 鋁(lv)磷(lin)化(hua)鎵(jia)(摻(chan)雜(za)氧化(hua)鋅)
AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO
紅色及紅外線
鋁磷(lin)化(hua)鎵(jia)(jia) 銦氮化(hua)鎵(jia)(jia)/氮化(hua)鎵(jia)(jia) 磷(lin)化(hua)鎵(jia)(jia) 磷(lin)化(hua)銦鎵(jia)(jia)鋁 鋁磷(lin)化(hua)鎵(jia)(jia)
InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP
綠色
磷化(hua)鋁銦(yin) 鎵(jia)砷(shen)化(hua)鎵(jia) 磷化(hua)物 磷化(hua)銦(yin)鎵(jia)鋁 磷化(hua)鎵(jia)
GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP
高(gao)亮度的橘(ju)紅色(se),橙色(se),黃(huang)色(se),綠(lv)色(se)
磷砷化鎵
GaAsP
紅(hong)(hong)色(se),橘紅(hong)(hong)色(se),黃色(se)
磷(lin)化(hua)鎵 硒化(hua)鋅(xin) 銦氮(dan)化(hua)鎵 碳(tan)化(hua)硅
GaP ZnSe InGaN SiC
紅色(se),黃色(se),綠色(se)
氮化鎵
GaN
綠色(se)(se),翠綠色(se)(se),藍(lan)色(se)(se)
銦氮化鎵
InGaN
近紫外線,藍綠色,藍色
碳化硅(用作襯底)
SiC
藍色
硅(用作襯底)
Si
藍色
藍寶石(用作襯底)
Al2O3
藍色
硒化鋅
ZnSe
藍色
鉆石
C
紫外線
氮化鋁,氮化鋁鎵
AlN AlGaN
波長為遠(yuan)至近(jin)的紫外線
LED燈就是發光(guang)二(er)極管(guan),是采用固體(ti)半導體(ti)芯片為(wei)發光(guang)材料,與(yu)傳統燈具相(xiang)比,LED燈節能、環保(bao)、顯色性與(yu)響應(ying)速度好。
(一)節能是(shi)LED燈最突出的(de)特點
在能耗方面,LED燈的(de)能耗是白熾燈的(de)十(shi)分(fen)之(zhi)一(yi),是節(jie)能燈的(de)四分(fen)之(zhi)一(yi)。這是LED燈的(de)一(yi)個最大(da)的(de)特點。現在的(de)人們都崇(chong)尚(shang)節(jie)能環保,也(ye)正是因為節(jie)能的(de)這個特點,使得LED燈的(de)應用(yong)范圍(wei)十(shi)分(fen)廣泛,使得LED燈十(shi)分(fen)的(de)受歡迎。
(二(er))可以在高速開(kai)關狀(zhuang)態工作
我們平(ping)時走在馬路上,會發現每一個LED組成的(de)(de)屏(ping)幕(mu)或者畫面都是變(bian)化莫測的(de)(de)。這(zhe)說明LED燈是可以進行高速開(kai)關(guan)工(gong)作(zuo)(zuo)的(de)(de)。但是,對于我們平(ping)時使用的(de)(de)白熾(chi)燈,則達不到這(zhe)樣的(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)狀態。在平(ping)時生活的(de)(de)時候,如(ru)果開(kai)關(guan)的(de)(de)次數過(guo)多,將直(zhi)接導 致白熾(chi)燈燈絲斷裂。這(zhe)個也是LED燈受(shou)歡迎的(de)(de)重要原因。
(三)環保
LED燈內部不含有(you)任何的(de)(de)汞等重金(jin)屬材料,但(dan)是(shi)熒(ying)光燈中(zhong)含有(you),這就體現了LED燈環保的(de)(de)特點。現在的(de)(de)人都十分重視環保,所以,會有(you)更(geng)多的(de)(de)人愿意選(xuan)擇(ze)環保的(de)(de)LED燈。
(四)響應速度快
LED燈還有一(yi)個突出(chu)的特點,就(jiu)是反(fan)應的速度(du)比較(jiao)快(kuai)。只要一(yi)接通電源(yuan),LED燈馬上就(jiu)會亮起(qi)來(lai)。對比我們平時使用的節(jie)能(neng)(neng)燈,其反(fan)應速度(du)更快(kuai),在(zai)打開傳統(tong)燈泡時,往往需要很(hen)長的時間才能(neng)(neng)照(zhao)亮房間,在(zai)燈泡徹底的發(fa)熱之后,才能(neng)(neng)亮起(qi)來(lai)。
(五)相較于其(qi)他的光源(yuan),LED燈更“干凈”
所(suo)謂的(de)(de)“干(gan)凈”不是(shi)(shi)指的(de)(de)燈表面以及內部的(de)(de)干(gan)凈,而是(shi)(shi)這個燈是(shi)(shi)屬于冷(leng)光源的(de)(de),不會(hui)產生太多(duo)的(de)(de)熱(re)量(liang),不會(hui)吸引(yin)那些喜光喜熱(re)的(de)(de)昆蟲。特別(bie)是(shi)(shi)在(zai)夏天,農村的(de)(de)蟲子會(hui)特別(bie)的(de)(de)多(duo)。
有的蟲(chong)子(zi)天(tian)性喜(xi)熱(re),白熾燈(deng)和節(jie)能燈(deng)在使用(yong)一段時間之后都會(hui)產(chan)(chan)生熱(re)量,這(zhe)個熱(re)量正好是蟲(chong)子(zi)喜(xi)歡的,就(jiu)容易吸(xi)引蟲(chong)子(zi)過(guo)來(lai)。這(zhe)無(wu)疑會(hui)對(dui)燈(deng)表(biao)面帶來(lai)很多的污染物,而且(qie),蟲(chong)子(zi)的排(pai)(pai)泄物還會(hui)使得室內變得很臟。但是,LED燈(deng)是冷光源,不(bu)會(hui)吸(xi)引蟲(chong)子(zi)過(guo)來(lai)的,這(zhe)樣,就(jiu)不(bu)會(hui)產(chan)(chan)生蟲(chong)子(zi)的排(pai)(pai)泄物。所以說,LED燈(deng)更加的 “干凈(jing)”。
半(ban)導體發光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管的應(ying)用范圍廣,功耗小,使(shi)用壽命長,低碳(tan)環保。我國半(ban)導體發光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管的應(ying)用非(fei)常廣泛,居民家庭中(zhong)的很(hen)多(duo)照明設(she)備都(dou)使(shi)用了(le)半(ban)導體發光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管,大(da)(da)部分路(lu)燈(deng)也使(shi)用了(le)半(ban)導體發光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管路(lu)燈(deng)作為(wei)照明光(guang)(guang)源(yuan),部分道路(lu)的照明燈(deng)具(ju)還結合(he)了(le)太(tai)陽能(neng)技術,可(ke)節省(sheng)大(da)(da)量電能(neng)。感(gan)(gan)光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管根據材(cai)質的不同,可(ke)以分成砷鋁(lv)化鎵(jia)感(gan)(gan)光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管、磷砷化鋁(lv)感(gan)(gan)光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管、磷化鎵(jia)感(gan)(gan)光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管和砷化鋁(lv)感(gan)(gan)光(guang)(guang)二(er)極(ji)(ji)管等。
LED的(de)光(guang)學參數(shu)中重要的(de)幾個方面就是:光(guang)通量、發光(guang)效率、發光(guang)強(qiang)度、光(guang)強(qiang)分(fen)布(bu)、波長。
發光效率和光通量
發光效率就是(shi)(shi)光通量與電功率之比,單位(wei)一(yi)般為lm/W。發光效率代(dai)表了光源的節(jie)能(neng)特性,這是(shi)(shi)衡量現代(dai)光源性能(neng)的一(yi)個重要指標。
發光(guang)(guang)強度和光(guang)(guang)強分布
LED發(fa)光(guang)(guang)強度(du)(du)是表征它在某個方向上(shang)的(de)發(fa)光(guang)(guang)強弱(ruo),由于LED在不同的(de)空(kong)間(jian)角(jiao)度(du)(du)光(guang)(guang)強相差(cha)很多,隨之而(er)(er)來我(wo)們(men)研究了(le)LED的(de)光(guang)(guang)強分(fen)布特性。這個參(can)數(shu)實(shi)際意義(yi)很大,直接影(ying)響到LED顯(xian)示(shi)(shi)裝置的(de)最(zui)小(xiao)觀察角(jiao)度(du)(du)。比如(ru)體育場館的(de)LED大型彩色(se)顯(xian)示(shi)(shi)屏,如(ru)果(guo)選用的(de)LED單管分(fen)布范(fan)圍很窄,那么面對(dui)顯(xian)示(shi)(shi)屏處(chu)于較(jiao)大角(jiao)度(du)(du)的(de)觀眾將看(kan)到失真(zhen)的(de)圖像。而(er)(er)且(qie)交通標志燈也要求(qiu)較(jiao)大范(fan)圍的(de)人能識別(bie)。
波長
對(dui)(dui)于LED的光譜特(te)性(xing)我們(men)主要看它(ta)的單色(se)(se)性(xing)是(shi)否優良(liang),而(er)且(qie)要注意(yi)到紅(hong)、黃(huang)、藍、綠、白色(se)(se)LED等主要的顏色(se)(se)是(shi)否純正(zheng)。因(yin)為(wei)在許多場合下,比如交通(tong)信(xin)號燈對(dui)(dui)顏色(se)(se)就要求比較嚴格,不過據觀察我國的一(yi)些(xie)LED信(xin)號燈中綠色(se)(se)發藍,紅(hong)色(se)(se)的為(wei)深紅(hong),從(cong)這個現象(xiang)來看我們(men)對(dui)(dui)LED的光譜特(te)性(xing)進(jin)行專門研究是(shi)非常必要而(er)且(qie)很有意(yi)義的。
發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管還可分為普通單(dan)色發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管、高(gao)(gao)亮度發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管、超高(gao)(gao)亮度發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管、變(bian)色發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管、閃爍發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管、電(dian)壓控制(zhi)型發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管、紅外發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管和負阻發(fa)(fa)(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管等(deng)。
LED的控(kong)制模(mo)式(shi)有恒(heng)流和恒(heng)壓(ya)兩種(zhong),有多(duo)種(zhong)調(diao)光方式(shi),比如模(mo)擬調(diao)光和PWM調(diao)光,大多(duo)數的LED都采用的是(shi)恒(heng)流控(kong)制,這樣(yang)可以保持LED電流的穩(wen)定(ding),不(bu)易受VF的變化(hua),可以延長(chang)LED燈具的使(shi)用壽(shou)命。
單色發光二極管
普通單色發光二極管
普通(tong)單色發(fa)光(guang)二極管具(ju)有體積小、工作電(dian)壓低、工作電(dian)流小、發(fa)光(guang)均勻穩定、響(xiang)應速(su)度(du)快、壽命長等優點,可(ke)用各種直流、交流、脈沖等電(dian)源驅動點亮。它屬于電(dian)流控(kong)制(zhi)型半導體器件(jian),使用時需串(chuan)接(jie)合(he)適的(de)限(xian)流電(dian)阻。
普通(tong)單色發光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)發光(guang)(guang)(guang)顏色與發光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)有關(guan),而發光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)又(you)取決于制造發光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)所用的(de)(de)半導(dao)體材料。紅色發光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)一般(ban)(ban)為(wei)650~700nm,琥珀色發光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)一般(ban)(ban)為(wei)630~650nm ,橙色發光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)一般(ban)(ban)為(wei)610~630nm左右,黃色發光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)一般(ban)(ban)為(wei)585nm左右,綠色發光(guang)(guang)(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)波(bo)長(chang)(chang)一般(ban)(ban)為(wei)555~570nm。
高亮度單色發光二極(ji)管
高(gao)亮度(du)單(dan)(dan)(dan)色(se)發(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管和超高(gao)亮度(du)單(dan)(dan)(dan)色(se)發(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管使(shi)用(yong)的半導體材(cai)(cai)料(liao)與普通(tong)單(dan)(dan)(dan)色(se)發(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管不同(tong),所(suo)以發(fa)光(guang)的強度(du)也不同(tong)。通(tong)常(chang),高(gao)亮度(du)單(dan)(dan)(dan)色(se)發(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管使(shi)用(yong)砷鋁化(hua)(hua)鎵(jia)(GaAlAs)等(deng)(deng)材(cai)(cai)料(liao),超高(gao)亮度(du)單(dan)(dan)(dan)色(se)發(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管使(shi)用(yong)磷銦砷化(hua)(hua)鎵(jia)(GaAsInP)等(deng)(deng)材(cai)(cai)料(liao),而普通(tong)單(dan)(dan)(dan)色(se)發(fa)光(guang)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管使(shi)用(yong)磷化(hua)(hua)鎵(jia)(GaP)或磷砷化(hua)(hua)鎵(jia)(GaAsP)等(deng)(deng)材(cai)(cai)料(liao)。
變色發光二極管
變色(se)(se)發(fa)(fa)光(guang)二(er)極(ji)(ji)管(guan)是能變換發(fa)(fa)光(guang)顏色(se)(se)的發(fa)(fa)光(guang)二(er)極(ji)(ji)管(guan)。變色(se)(se)發(fa)(fa)光(guang)二(er)極(ji)(ji)管(guan)發(fa)(fa)光(guang)顏色(se)(se)種類可分為雙色(se)(se)發(fa)(fa)光(guang)二(er)極(ji)(ji)管(guan)、三色(se)(se)發(fa)(fa)光(guang)二(er)極(ji)(ji)管(guan)和多色(se)(se)(有紅、藍、綠、白四種顏色(se)(se))發(fa)(fa)光(guang)二(er)極(ji)(ji)管(guan)。
變色發(fa)光(guang)二(er)(er)極管(guan)按引腳數量(liang)可分為(wei)二(er)(er)端(duan)變色發(fa)光(guang)二(er)(er)極管(guan)、三端(duan)變色發(fa)光(guang)二(er)(er)極管(guan)、四端(duan)變色發(fa)光(guang)二(er)(er)極管(guan)和六(liu)端(duan)變色發(fa)光(guang)二(er)(er)極管(guan)。
閃爍發光二極管
閃爍(shuo)發光二極管(guan)(BTS)是一(yi)種由CMOS集(ji)成電路和發光二極管(guan)組成的特(te)殊發光器件,可用于報警指示及欠(qian)壓、超壓指示。
閃(shan)(shan)爍(shuo)發光二極管在(zai)使用時(shi),無(wu)須外接其(qi)它元(yuan)件,只要在(zai)其(qi)引腳兩(liang)端加(jia)上適當的直(zhi)流工作電壓(5V)即(ji)可閃(shan)(shan)爍(shuo)發光。
紅外發光二極管
紅(hong)外(wai)發光二極管也稱紅(hong)外(wai)線發射二極管,它是(shi)可(ke)以將電(dian)能直接轉換(huan)成紅(hong)外(wai)光(不可(ke)見光)并能輻射出去(qu)的發光器件,主要應用于各種光控及遙(yao)控發射電(dian)路中。
紅外發光(guang)二極管(guan)的結(jie)構、原理與普通(tong)發光(guang)二極管(guan)相近,只(zhi)是使用的半導體(ti)材料(liao)不同。紅外發光(guang)二極管(guan)通(tong)常使用砷化鎵(GaAs)、砷鋁化鎵(GaAlAs)等材料(liao),采用全透(tou)明或(huo)淺藍色(se)、黑色(se)的樹脂(zhi)封裝。
常(chang)用(yong)的紅外發光(guang)二(er)極(ji)管有SIR系(xi)列(lie)(lie)、SIM系(xi)列(lie)(lie)、PLT系(xi)列(lie)(lie)、GL系(xi)列(lie)(lie)、HIR系(xi)列(lie)(lie)和HG系(xi)列(lie)(lie)等。
紫外發光二極管
基于半(ban)(ban)導(dao)體(ti)材(cai)(cai)(cai)料的紫(zi)外(wai)(wai)發光(guang)二(er)極管(guan)(guan)(UV LED)具有節能、環保和(he)(he)壽命長(chang)等優點,在(zai)殺菌消毒、醫療和(he)(he)生化(hua)檢測等領域(yu)有重(zhong)大的應用價值。近年(nian)來(lai),半(ban)(ban)導(dao)體(ti)紫(zi)外(wai)(wai)光(guang)電材(cai)(cai)(cai)料和(he)(he)器件在(zai)全(quan)球引(yin)起越來(lai)越多的關(guan)注,成為研(yan)(yan)(yan)發熱點。 2018年(nian)12月9一12日(ri),由中國(guo)科學(xue)院(yuan)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)研(yan)(yan)(yan)究所主辦的第三屆“國(guo)際(ji)紫(zi)外(wai)(wai)材(cai)(cai)(cai)料與器件研(yan)(yan)(yan)討會” (IWUMD一2018)在(zai)云南昆明召開(kai),來(lai)自十二(er)個國(guo)家的270余位(wei)代(dai)表出席了會議。本(ben)次會議匯聚了國(guo)內外(wai)(wai)在(zai)紫(zi)外(wai)(wai)發光(guang)二(er)極管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)料和(he)(he)器件相(xiang)關(guan)領域(yu)的多位(wei)頂尖(jian)專家的最(zui)新(xin)研(yan)(yan)(yan)發成果報告。
紫(zi)外(wai)發光(guang)(guang)二極(ji)管是氮化物技(ji)術發展(zhan)(zhan)和(he)第(di)三(san)代半(ban)導體材(cai)料(liao)(liao)技(ji)術發展(zhan)(zhan)的(de)(de)主(zhu)要趨勢,擁有廣闊的(de)(de)應用(yong)前景。中國(guo)科技(ji)部為了(le)加快第(di)三(san)代半(ban)導體固態(tai)紫(zi)外(wai)光(guang)(guang)源的(de)(de)發展(zhan)(zhan),爭施了(le)“第(di)三(san)代半(ban)導體固態(tai)紫(zi)外(wai)光(guang)(guang)源材(cai)料(liao)(liao)及器件(jian)關鍵(jian)技(ji)術”重點(dian)(dian)研(yan)發計(ji)劃專(zhuan)項(2016YFB0400800)。國(guo)家重點(dian)(dian)研(yan)發計(ji)劃的(de)(de)支持和(he)國(guo)際紫(zi)外(wai)材(cai)料(liao)(liao)與器件(jian)研(yan)討會的(de)(de)舉辦(ban),將為加快實現我國(guo)第(di)三(san)代半(ban)導體紫(zi)外(wai)光(guang)(guang)源的(de)(de)市場化應用(yong),帶動我國(guo)紫(zi)外(wai)半(ban)導體發光(guang)(guang)二極(ji)管材(cai)料(liao)(liao)和(he)器件(jian)技(ji)術創(chuang)親及產業化發展(zhan)(zhan)發揮(hui)積極(ji)的(de)(de)作(zuo)用(yong)。
有機發光二極管
1987年,柯(ke)達公司鄧青云等成功制備(bei)了低電壓、高亮度的(de)(de)(de)有機(ji)發(fa)(fa)(fa)光(guang)二極(ji)管(OLED),第一(yi)次向世(shi)界展示(shi)了OLED在商業上(shang)的(de)(de)(de)應用前景‘“。1995年,Kido在science雜志上(shang)發(fa)(fa)(fa)表(biao)(biao)了白光(guang)有機(ji)發(fa)(fa)(fa)光(guang)二極(ji)管(wOLED)的(de)(de)(de)文章(zhang), 雖然效率(lv)不高,但揭開了OLED照(zhao)明研(yan)究的(de)(de)(de)序幕(mu)。經(jing)過幾十(shi)年的(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展,OLED的(de)(de)(de)效率(lv)和(he)(he)穩定性早(zao)已滿足小尺寸顯示(shi)器的(de)(de)(de)要(yao)求,受(shou)到眾多高端儀器儀表(biao)(biao)、手(shou)機(ji)和(he)(he)移動終端公司的(de)(de)(de)青睞,大尺寸技(ji)術也日漸(jian)完善。
OLED材料(liao)的(de)發(fa)展是OLED產業蓬勃發(fa)展的(de)基礎(chu)。最早(zao)的(de)OLED發(fa)光(guang)(guang)(guang)材料(liao)是熒(ying)光(guang)(guang)(guang)材料(liao),但熒(ying)光(guang)(guang)(guang)材料(liao)由(you)于(yu)自(zi)旋阻禁,其理論(lun)內(nei)量子效率上限僅(jin)能達(da)到25%。1998年(nian),Ma以及Forrest和Thompson等先后報道了(le)磷(lin)光(guang)(guang)(guang)材料(liao)在(zai)OLED材料(liao)中的(de)應用,從而(er)為突破自(zi)旋統計規律、100%地利用所有激子的(de)能量開辟了(le)道路。但是磷(lin)光(guang)(guang)(guang)材料(liao)也存在(zai)一定(ding)(ding)的(de)問題,由(you)于(yu)含有貴金屬,價格(ge)很(hen)高(gao)而(er)且藍光(guang)(guang)(guang)材料(liao)的(de)穩定(ding)(ding)性(xing)長期停滯不前。
2009年(nian),日(ri)本九(jiu)州大學(xue)的(de)(de)Adachi教授首次將熱(re)活(huo)化延遲(chi)熒光(guang)(guang)(TADF)材(cai)料(liao)引(yin)入OLED。此類材(cai)料(liao)具(ju)有(you)極(ji)低的(de)(de)單三(san)線態(tai)能(neng)隙,可通過三(san)線態(tai)激子的(de)(de)反(fan)向系間竄越(RISC)實現100%的(de)(de)理論內 量子效率。材(cai)料(liao)體系和(he)器(qi)件(jian)結構的(de)(de)日(ri)漸完(wan)善,使得(de)OLED在顯示領域(yu)嶄露頭角(jiao)。另一方(fang)面,WOLED具(ju)有(you)發光(guang)(guang)效率高、光(guang)(guang)譜(pu)可調、藍(lan)(lan)光(guang)(guang)成(cheng)分少和(he)面光(guang)(guang)源(yuan)等一系列優 勢,作為低色溫、無藍(lan)(lan)害的(de)(de)高效光(guang)(guang)源(yuan),有(you)望成(cheng)為未(wei)來健康(kang)照明的(de)(de)新(xin)趨勢。
LED五大原物(wu)料(liao)分別是指:晶片,支架,銀(yin)膠,金(jin)線(xian),環(huan)氧樹脂
晶片
晶(jing)片(pian)的(de)構(gou)成(cheng):由金(jin)墊(dian),P極,N極,PN結(jie),背(bei)金(jin)層(ceng)(ceng)構(gou)成(cheng)(雙pad晶(jing)片(pian)無背(bei)金(jin)層(ceng)(ceng))。晶(jing)片(pian)是由P層(ceng)(ceng)半(ban)導體元素,N層(ceng)(ceng)半(ban)導體元素靠電(dian)子移動而重新排列組合(he)成(cheng)的(de)PN結(jie)合(he)體。也正(zheng)是這種變化使(shi)晶(jing)片(pian)能夠處(chu)于(yu)一個相對(dui)穩定的(de)狀態。在晶(jing)片(pian)被一定的(de)電(dian)壓(ya)施加正(zheng)向(xiang)電(dian)極時,正(zheng)向(xiang)P區的(de)空穴(xue)則會源源不斷的(de)游(you)向(xiang)N區,N區的(de)電(dian)子則會相對(dui)于(yu)孔(kong)穴(xue)向(xiang)P區運(yun)動。在電(dian)子,空穴(xue)相對(dui)移動的(de)同時,電(dian)子空穴(xue)互相結(jie)對(dui),激發出(chu)光(guang)子,產生光(guang)能。
主要分(fen)類,表面(mian)發光(guang)型: 光(guang)線大部分(fen)從晶片表面(mian)發出。五面(mian)發光(guang)型: 表面(mian),側面(mian)都有(you)較多(duo)的光(guang)線射出按(an)發光(guang)顏色分(fen),紅,橙(cheng),黃(huang),黃(huang)綠,純(chun)綠,標準綠,藍綠, 藍。
支架
支架的結(jie)構1層(ceng)(ceng)是鐵,2層(ceng)(ceng)鍍銅(導電性好(hao),散(san)熱快),3層(ceng)(ceng)鍍鎳(防氧化),4層(ceng)(ceng)鍍銀(反光(guang)性好(hao),易焊(han)線(xian))
銀膠(因種類較(jiao)多(duo),我們(men)以H20E為例)
也叫白膠,乳白色,導通粘合作用(yong)(yong)(烘烤溫度(du)為(wei):100°C/1.5H)銀粉(fen)(fen)(導電,散熱,固定晶片)+環氧樹脂(zhi)(固化銀粉(fen)(fen))+稀釋劑(ji)(易于攪拌)。儲藏條件(jian):銀膠的(de)制造商一般(ban)將(jiang)銀膠以(yi)-40 °C 儲藏,應用(yong)(yong)單位一般(ban)將(jiang)銀膠以(yi)-5 °C 儲藏。單劑(ji)為(wei)25 °C/1年(干燥,通風的(de)地方),混(hun)合劑(ji)25 °C/72小(xiao)時(但在(zai)上線(xian)作業(ye)時因其他(ta)的(de)因素“溫濕度(du)、通風的(de)條件(jian)”,為(wei)保證產品的(de)質量一般(ban)的(de)混(hun)合劑(ji)使用(yong)(yong)時間(jian)為(wei)4小(xiao)時)
烘烤(kao)條(tiao)件:150 °C/1.5H
攪拌條件(jian):順一個方向均勻攪拌15分鐘
金線(以(yi)φ1.0mil為(wei)例)
LED所用到的金(jin)線有φ1.0mil、 φ1.2mil,金(jin)線的材質,LED用金(jin)線的材質一(yi)般含金(jin)量為99.9%,金(jin)線的用途(tu)
利用其含(han)金量高材質較軟、易變形且(qie)導電(dian)性好(hao)、散熱性好(hao)的特性,讓晶片與支(zhi)架間形成一閉合電(dian)路。(換算(suan)關(guan)系:1 mil = 0.0254mm , 1 in = 25.4mm )
環氧(yang)樹脂(zhi)(以EP400為(wei)例)
組成(cheng):A、B兩組劑份:
A膠(jiao):是主劑,由環氧樹脂+消泡劑+耐熱劑+稀釋(shi)劑
B劑(ji):是固化(hua)劑(ji),由酸酣(han)+離模劑(ji)+促進劑(ji)
使用條件:
混合比:A/B=100/100(重量比)
混合粘度:500-700CPS/30 °C
膠化時間:120 °C*12分鐘(zhong)或(huo)110 °C*18分鐘(zhong)
可使用(yong)條件:室溫(wen)25 °C約6小時(shi)。一(yi)般(ban)根據產(chan)線的生(sheng)產(chan)需要,我們(men)將(jiang)它的使用(yong)條件定為2小時(shi)。
硬化條件(jian):初期(qi)硬化110 °C—140 °C 25—40分鐘
后期硬化100 °C*6—10小時(可(ke)以視(shi)實際需(xu)要做機動(dong)性調整)
芯片檢驗
鏡檢:材料表面是否(fou)有機械損傷及麻(ma)點麻(ma)坑lockhill芯片(pian)尺寸及電(dian)極大小是否(fou)符(fu)合工藝要求電(dian)極圖(tu)案是否(fou)完整。
LED擴片
由(you)于LED芯片(pian)在劃(hua)片(pian)后依然排(pai)列緊密(mi)間(jian)距(ju)很小(約0.1mm),不利于后工序的(de)(de)操作(zuo)。采(cai)用擴片(pian)機(ji)對黏結(jie)芯片(pian)的(de)(de)膜進行擴張,使LED芯片(pian)的(de)(de)間(jian)距(ju)拉伸到約0.6mm。也可以(yi)采(cai)用手工擴張,但(dan)很容易造(zao)成芯片(pian)掉落浪費等不良問題。
LED點膠
在LED支架的(de)相應位置點上銀(yin)膠(jiao)或(huo)絕(jue)緣(yuan)(yuan)膠(jiao)。對于GaAs、SiC導電襯(chen)底,具(ju)有背面電極的(de)紅光(guang)、黃(huang)光(guang)、黃(huang)綠芯片,采用銀(yin)膠(jiao)。對于藍(lan)寶石絕(jue)緣(yuan)(yuan)襯(chen)底的(de)藍(lan)光(guang)、綠光(guang)LED芯片,采用絕(jue)緣(yuan)(yuan)膠(jiao)來固定芯片。
工藝難(nan)點在(zai)于點膠量的(de)控(kong)制,在(zai)膠體高度(du)、點膠位置均有(you)詳細的(de)工藝要求。由(you)于銀膠和絕緣膠在(zai)貯存和使用(yong)均有(you)嚴格的(de)要求,提醒:銀膠的(de)醒料、攪拌、使用(yong)時間(jian)都是工藝上(shang)必須(xu)注意的(de)事項。
LED備膠
和點(dian)膠(jiao)相反,備膠(jiao)是(shi)用備膠(jiao)機先把銀(yin)膠(jiao)涂在LED背面電極上,然后把背部(bu)帶銀(yin)膠(jiao)的(de)LED安裝(zhuang)在LED支架上。備膠(jiao)的(de)效率遠高于點(dian)膠(jiao),但不(bu)是(shi)所(suo)有(you)產品均適用備膠(jiao)工藝。
LED手工刺片
將擴張(zhang)后LED芯片(備膠(jiao)或未(wei)備膠(jiao))安置(zhi)在刺(ci)片臺的夾具(ju)上,LED支(zhi)架放(fang)在夾具(ju)底(di)下(xia),在顯微(wei)鏡下(xia)用針將LED芯片一個一個刺(ci)到相(xiang)應的位置(zhi)上。手工刺(ci)片和自動裝架相(xiang)比有一個好處,便于隨時更換(huan)不(bu)同的芯片,適(shi)用于需要安裝多種芯片的產(chan)品。
LED自動裝架
自(zi)動裝架(jia)其實是結(jie)合了沾(zhan)膠(jiao)(點膠(jiao))和安(an)裝芯片兩大步驟,先(xian)在(zai)LED支架(jia)上(shang)(shang)點上(shang)(shang)銀(yin)膠(jiao)(絕緣膠(jiao)),然后用真空吸嘴(zui)將LED芯片吸起移動位置,再安(an)置在(zai)相應的(de)支架(jia)位置上(shang)(shang)。自(zi)動裝架(jia)在(zai)工藝上(shang)(shang)主要要熟悉設備(bei)(bei)操作(zuo)編程,同時對設備(bei)(bei)的(de)沾(zhan)膠(jiao)及安(an)裝精度進行調整。在(zai)吸嘴(zui)的(de)選(xuan)用上(shang)(shang)盡量選(xuan)用膠(jiao)木吸嘴(zui),防止對LED芯片表(biao)(biao)面(mian)的(de)損傷,特別是藍(lan)、綠(lv)色芯片必須用膠(jiao)木的(de)。因(yin)為鋼嘴(zui)會劃傷芯片表(biao)(biao)面(mian)的(de)電流擴散層。
LED燒結
燒(shao)結的(de)目的(de)是(shi)使銀膠固(gu)化,燒(shao)結要求對溫度進(jin)行監控(kong)(kong),防止批(pi)次性不良。銀膠燒(shao)結的(de)溫度一般控(kong)(kong)制在(zai)150℃,燒(shao)結時(shi)間2小(xiao)時(shi)。根(gen)據實(shi)際情況(kuang)可以調整到(dao)170℃,1小(xiao)時(shi)。絕緣膠一般150℃,1小(xiao)時(shi)。
銀膠燒結(jie)(jie)烘(hong)箱的必須按工藝要(yao)求隔(ge)2小時(或1小時)打開更換燒結(jie)(jie)的產品,中間不得隨意打開。燒結(jie)(jie)烘(hong)箱不得再其他用途,防止污染。
LED壓焊
壓焊的目(mu)的是(shi)將電極(ji)引(yin)到LED芯片上,完(wan)成產品內外引(yin)線(xian)的連接工作。
LED的壓(ya)焊(han)工藝(yi)有金(jin)絲(si)球(qiu)焊(han)和鋁絲(si)壓(ya)焊(han)兩種。鋁絲(si)壓(ya)焊(han)的過(guo)程(cheng)為先在LED芯片電(dian)極上(shang)壓(ya)上(shang)第(di)一點,再將鋁絲(si)拉到相應(ying)的支架上(shang)方,壓(ya)上(shang)第(di)二點后(hou)扯斷鋁絲(si)。金(jin)絲(si)球(qiu)焊(han)過(guo)程(cheng)則在壓(ya)第(di)一點前先燒個球(qiu),其余(yu)過(guo)程(cheng)類似。
壓(ya)焊是LED封裝(zhuang)技術中(zhong)的關鍵環節,工(gong)藝上主要(yao)(yao)需要(yao)(yao)監(jian)控的是壓(ya)焊金絲(鋁絲)拱絲形狀,焊點形狀,拉(la)力。
LED封膠
LED的(de)(de)封(feng)裝主要有點膠、灌封(feng)、模壓三種(zhong)。基本上(shang)工藝控制的(de)(de)難點是(shi)氣泡、多缺料、黑點。設計上(shang)主要是(shi)對材料的(de)(de)選型(xing),選用結合(he)良好的(de)(de)環(huan)氧和支(zhi)架。(一般的(de)(de)LED無法通過氣密性(xing)試驗)。
LED點(dian)(dian)(dian)膠(jiao) TOP-LED和Side-LED適用點(dian)(dian)(dian)膠(jiao)封(feng)裝。手動點(dian)(dian)(dian)膠(jiao)封(feng)裝對(dui)(dui)操作水平要求很高(gao)(特別(bie)是(shi)白(bai)光LED),主要難點(dian)(dian)(dian)是(shi)對(dui)(dui)點(dian)(dian)(dian)膠(jiao)量(liang)的(de)控制,因(yin)為(wei)環氧在使用過程中會變稠。白(bai)光LED的(de)點(dian)(dian)(dian)膠(jiao)還存(cun)在熒光粉(fen)沉淀(dian)導致出光色差的(de)問題。
LED灌膠封裝 Lamp-LED的(de)封裝采用灌封的(de)形式(shi)。灌封的(de)過程是先在(zai)LED成(cheng)型模(mo)腔(qiang)內注入液態環氧,然(ran)后(hou)插入壓焊好的(de)LED支架,放(fang)入烘箱讓環氧固化后(hou),將(jiang)LED從模(mo)腔(qiang)中(zhong)脫(tuo)出(chu)即成(cheng)型。
LED模壓(ya)封裝 將(jiang)壓(ya)焊好的LED支架放(fang)(fang)入模具(ju)中,將(jiang)上下兩(liang)副(fu)模具(ju)用液(ye)(ye)壓(ya)機合模并(bing)抽真空,將(jiang)固態環(huan)(huan)氧(yang)放(fang)(fang)入注膠道的入口(kou)加熱用液(ye)(ye)壓(ya)頂桿壓(ya)入模具(ju)膠道中,環(huan)(huan)氧(yang)順著膠道進入各(ge)個LED成型槽中并(bing)固化。
LED固(gu)化(hua)與(yu)后固(gu)化(hua)
固(gu)(gu)化(hua)是指封裝環(huan)(huan)氧(yang)的(de)固(gu)(gu)化(hua),一般(ban)環(huan)(huan)氧(yang)固(gu)(gu)化(hua)條(tiao)件在(zai)135℃,1小時(shi)(shi)。模(mo)壓封裝一般(ban)在(zai)150℃,4分鐘。后固(gu)(gu)化(hua)是為了讓(rang)環(huan)(huan)氧(yang)充(chong)分固(gu)(gu)化(hua),同時(shi)(shi)對(dui)LED進行熱老化(hua)。后固(gu)(gu)化(hua)對(dui)于提高環(huan)(huan)氧(yang)與支架(PCB)的(de)粘接強度非常重要(yao)。一般(ban)條(tiao)件為120℃,4小時(shi)(shi)。
LED切筋和(he)劃片
由于LED在生產中是(shi)連(lian)在一(yi)起的(不是(shi)單個(ge)),Lamp封裝LED采用切筋切斷(duan)LED支(zhi)架的連(lian)筋。SMD-LED則是(shi)在一(yi)片PCB板上(shang),需要劃片機來完(wan)成分(fen)離工作。
LED測試
測(ce)試LED的光(guang)電參數、檢驗外形尺寸,同(tong)時根(gen)據客戶要求對(dui)LED產(chan)品進行分選。
20世紀(ji)90年代LED技術的(de)(de)長足進步,不僅是發光(guang)(guang)效率超過了(le)白(bai)熾(chi)燈(deng),光(guang)(guang)強(qiang)達到(dao)(dao)了(le)燭光(guang)(guang)級(ji),而且顏色也從紅色到(dao)(dao)藍色覆蓋(gai)了(le)整個可見(jian)光(guang)(guang)譜(pu)范圍。這種從指示燈(deng)水(shui)平(ping)到(dao)(dao)超過通用光(guang)(guang)源水(shui)平(ping)的(de)(de)技術革命導致各種新的(de)(de)應用,諸如汽車信號燈(deng)、交通信號燈(deng)、室外全色大型顯(xian)示屏以及特殊的(de)(de)照(zhao)明光(guang)(guang)源。
隨(sui)著發光(guang)(guang)(guang)二極管高(gao)亮度化和(he)多色化的進(jin)展(zhan)(zhan),應(ying)(ying)用領域也(ye)不斷擴展(zhan)(zhan).從下邊較低(di)光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)(tong)量(liang)的指示燈到(dao)顯(xian)(xian)示屏,再從室外顯(xian)(xian)示屏到(dao)中(zhong)等光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)(tong)量(liang)功率(lv)信(xin)號燈和(he)特殊照(zhao)明(ming)的白光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源,最后發展(zhan)(zhan)到(dao)右上角的高(gao)光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)(tong)量(liang)通(tong)(tong)(tong)用照(zhao)明(ming)光(guang)(guang)(guang)源。2000年是時間的分(fen)界線,在2000年已解決所有顏色的信(xin)號顯(xian)(xian)示問題和(he)燈飾(shi)問題,并已開始低(di)、中(zhong)光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)(tong)量(liang)的特殊照(zhao)明(ming)應(ying)(ying)用,而(er)(er)作(zuo)為通(tong)(tong)(tong)用照(zhao)明(ming)的高(gao)光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)(tong)量(liang)白光(guang)(guang)(guang)照(zhao)明(ming)應(ying)(ying)用,似乎還有待時日,需將光(guang)(guang)(guang)通(tong)(tong)(tong)量(liang)進(jin)一步(bu)大幅度提高(gao)方(fang)能實現。當然,這也(ye)是個過程,會(hui)隨(sui)亮度提高(gao)和(he)價格下降而(er)(er)逐步(bu)實現。
自(zi)20世(shi)紀80年代(dai)(dai)中期(qi)(qi),就有單色和多色顯(xian)示屏(ping)問世(shi),起初(chu)是(shi)(shi)文字(zi)屏(ping)或動畫屏(ping)。90年代(dai)(dai)初(chu),電子計(ji)算機技術(shu)和集(ji)成(cheng)電路技術(shu)的(de)發展,使(shi)(shi)得(de)LED顯(xian)示屏(ping)的(de)視(shi)頻技術(shu)得(de)以(yi)實現(xian),電視(shi)圖像直接(jie)上屏(ping),特別是(shi)(shi)90年代(dai)(dai)中期(qi)(qi),藍色和綠(lv)色超(chao)高亮度LED研制成(cheng)功(gong)并迅速投產,使(shi)(shi)室(shi)外(wai)屏(ping)的(de)應用大大擴展,面積(ji)在100—300m不等。
LED顯示屏(ping)在(zai)體育場(chang)(chang)(chang)館、廣(guang)場(chang)(chang)(chang)、會場(chang)(chang)(chang)甚至街道、商場(chang)(chang)(chang)都已廣(guang)泛(fan)應用(yong),美國時代廣(guang)場(chang)(chang)(chang)上的(de)(de)納斯達克全彩(cai)屏(ping)最為(wei)聞(wen)名,該屏(ping)面(mian)積為(wei)120英尺×90英尺,相當于1005m,由1900萬只超高亮(liang)藍、綠、紅色LED制(zhi)成(cheng)(cheng)(cheng)。此外,在(zai)證券行情屏(ping)、銀行匯率屏(ping)、利(li)率屏(ping)等方面(mian)應用(yong)也占較(jiao)大比例,近(jin)期在(zai)高速公路、高架道路的(de)(de)信息屏(ping)方面(mian)也有(you)較(jiao)大的(de)(de)發(fa)展。發(fa)光二極管在(zai)這(zhe)一領(ling)域的(de)(de)應用(yong)已成(cheng)(cheng)(cheng)規模,形成(cheng)(cheng)(cheng)新(xin)興產(chan)業,且可期望有(you)較(jiao)穩定的(de)(de)增長。
航標燈采用LED作光源已(yi)有(you)多年(nian),目前的(de)(de)工作是改(gai)進(jin)和(he)完善。道(dao)路交通(tong)信(xin)號(hao)(hao)燈近幾年(nian)來(lai)取得了長(chang)足的(de)(de)進(jin)步(bu),技術發(fa)展較快,應(ying)用發(fa)展迅猛,中國每年(nian)有(you)四萬套左右的(de)(de)訂單,而美國加州在一年(nian)內(nei)就用LED交通(tong)信(xin)號(hao)(hao)燈更換了五萬套傳統(tong)光源的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)燈,根據使(shi)用效果看,壽命長(chang)、省(sheng)電和(he)免維護效果是明顯的(de)(de)。采用LED的(de)(de)發(fa)光峰值(zhi)波長(chang)是紅色(se)630nm,黃色(se)590nm,綠色(se)505nm。應(ying)該注(zhu)意的(de)(de)問題是驅動(dong)電流不應(ying)過大,否則夏天陽光下的(de)(de)高溫條件將會影響LED的(de)(de)壽命。
最近,應(ying)用(yong)(yong)于飛(fei)機(ji)場作為標(biao)燈(deng)(deng)(deng)(deng)、投光燈(deng)(deng)(deng)(deng)和全向燈(deng)(deng)(deng)(deng)的(de)LED機(ji)場專用(yong)(yong)信號(hao)燈(deng)(deng)(deng)(deng)也已獲(huo)成功并投入使(shi)用(yong)(yong),多方反映效果(guo)很好。它具有自主(zhu)知識(shi)(shi)產(chan)權(quan),獲(huo)準兩項專利(li),可(ke)靠性好、節省用(yong)(yong)電(dian)、免維護、可(ke)推(tui)廣應(ying)用(yong)(yong)到各種機(ji)場、替代已沿(yan)用(yong)(yong)幾十年的(de)舊信號(hao)燈(deng)(deng)(deng)(deng),不僅亮度高,而(er)且由于LED光色純度好,特(te)別鮮(xian)明,易(yi)于信號(hao)識(shi)(shi)別。
超高(gao)亮LED可(ke)以做成汽車(che)的(de)(de)剎車(che)燈(deng)(deng)(deng)、尾(wei)燈(deng)(deng)(deng)和(he)方向燈(deng)(deng)(deng),也(ye)可(ke)用于儀(yi)表照明(ming)和(he)車(che)內照明(ming),它在耐震動、省電及(ji)長壽(shou)命方面比白熾燈(deng)(deng)(deng)有明(ming)顯的(de)(de)優(you)勢。用作剎車(che)燈(deng)(deng)(deng),它的(de)(de)響應時(shi)間為60ns,比白熾燈(deng)(deng)(deng)的(de)(de)140ms要短許(xu)多,在典型的(de)(de)高(gao)速公路(lu)上行駛,會增加4—6m的(de)(de)安全距離。
LED作(zuo)為(wei)液(ye)(ye)晶(jing)顯(xian)示的(de)背(bei)(bei)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan),它不(bu)僅可(ke)作(zuo)為(wei)綠色(se)、紅色(se)、藍色(se)、白色(se),還可(ke)以作(zuo)為(wei)變色(se)背(bei)(bei)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan),已有許(xu)多產(chan)品(pin)進入生產(chan)及應用(yong)階段。最近(jin),手機上(shang)液(ye)(ye)晶(jing)顯(xian)示屏用(yong)LED制作(zuo)背(bei)(bei)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan),提升了產(chan)品(pin)的(de)檔(dang)次(ci),效(xiao)(xiao)果(guo)很好。采(cai)用(yong)8個(ge)藍色(se)、24個(ge)綠色(se)、32個(ge)紅色(se)LuxeonLED制成(cheng)的(de)15英寸(1英寸≈2.5厘米(mi))液(ye)(ye)晶(jing)屏的(de)背(bei)(bei)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan),可(ke)達到(dao)120W,2500 lm,亮度18000nits(尼(ni)特,cd/m2)。22液(ye)(ye)晶(jing)屏背(bei)(bei)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)也(ye)已制成(cheng),僅為(wei)6mm厚,不(bu)但混色(se)效(xiao)(xiao)果(guo)好,顯(xian)色(se)指數也(ye)達到(dao)80以上(shang)。大型背(bei)(bei)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)雖(sui)處于開發(fa)階段,但潛力很大。
由(you)于發(fa)光(guang)(guang)二極管亮(liang)度的(de)(de)提(ti)高和(he)價格的(de)(de)下降,再加上(shang)長壽命、節電,驅(qu)動和(he)控制(zhi)較霓虹燈(deng)簡易,不僅能閃(shan)爍,還(huan)能變(bian)色(se)(se),所以(yi)用超高亮(liang)度LED做成的(de)(de)單(dan)色(se)(se)、多色(se)(se)乃至(zhi)變(bian)色(se)(se)的(de)(de)發(fa)光(guang)(guang)柱配以(yi)其他(ta)形狀(zhuang)的(de)(de)各色(se)(se)發(fa)光(guang)(guang)單(dan)元,裝飾高大建筑物、橋梁、街道及廣場等(deng)景觀工程效果很好,呈現(xian)一派色(se)(se)彩(cai)(cai)繽紛、星(xing)光(guang)(guang)閃(shan)爍及流光(guang)(guang)異(yi)彩(cai)(cai)的(de)(de)景象。已有不少單(dan)位生產LED光(guang)(guang)柱達萬米以(yi)上(shang),彩(cai)(cai)燈(deng)幾萬個,正逐步推廣,估計會(hui)逐步擴大單(dan)獨形成一種(zhong)產業。
作為(wei)照(zhao)明光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)LED光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)應(ying)是白光(guang)(guang)(guang),作為(wei)軍(jun)用的(de)(de)(de)白光(guang)(guang)(guang)LED照(zhao)明燈具(ju),已有一些(xie)品種投入(ru)批量生產。由于(yu)LED光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)無紅外輻射,便(bian)于(yu)隱蔽,再加上它還具(ju)有耐振(zhen)動、適合于(yu)蓄電(dian)池供電(dian)、結構固體化(hua)及(ji)(ji)攜(xie)帶(dai)方便(bian)等優點,將在(zai)特殊(shu)照(zhao)明光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)方面會有較大發展(zhan)。作為(wei)民間使用的(de)(de)(de)草(cao)坪(ping)燈、埋地燈已有規(gui)模生產,也有用作顯(xian)微鏡視場(chang)照(zhao)明、手電(dian)、外科醫生的(de)(de)(de)頭(tou)燈、博物(wu)館(guan)或畫展(zhan)的(de)(de)(de)照(zhao)明以及(ji)(ji)閱讀臺燈。
光(guang)(guang)(guang)是(shi)植物(wu)生(sheng)長(chang)和發(fa)育最(zui)重(zhong)要的(de)(de)環(huan)境因(yin)素之(zhi)一, 對植物(wu)的(de)(de)生(sheng)長(chang)發(fa)育、形(xing)態(tai)建(jian)成(cheng)、光(guang)(guang)(guang)合作用(yong)(yong)、物(wu)質(zhi)代謝及基(ji)因(yin)表達均(jun)有調控作用(yong)(yong),因(yin)此(ci)溫室補光(guang)(guang)(guang)是(shi)實現植物(wu)優質(zhi)高產的(de)(de)重(zhong)要途徑。近年來,發(fa)光(guang)(guang)(guang)二極管在植物(wu)工廠中的(de)(de)應用(yong)(yong)越來越廣(guang)泛,LED光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)的(de)(de)波寬(kuan)窄、能耗低、體積小(xiao)、效(xiao)率(lv)高、耐(nai)衰老、熱耗低的(de)(de)優點,使其(qi)成(cheng)為了眾(zhong)多光(guang)(guang)(guang)質(zhi)研究(jiu)(jiu)人(ren)員使用(yong)(yong)的(de)(de)新(xin)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)。為止,大量應用(yong)(yong)LED光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)研究(jiu)(jiu)光(guang)(guang)(guang)環(huan)境對植物(wu)宏(hong)觀的(de)(de)形(xing)態(tai)、產量、品質(zhi)的(de)(de)影響(xiang),以及對細(xi)胞顯微結(jie)構、植物(wu)分化(hua)、次(ci)生(sheng)代謝物(wu)質(zhi)的(de)(de)影響(xiang)的(de)(de)研究(jiu)(jiu)層(ceng)出(chu)不(bu)窮。
在半導體照(zhao)明裝置中,通(tong)常采(cai)用(yong)高(gao)功(gong)率(lv)高(gao)亮度(du)的(de)(de)發(fa)光二極(ji)管(guan)(guan)(LED)作為(wei)光源,當在發(fa)光二極(ji)管(guan)(guan)中通(tong)以電流(liu)時,電 子與空(kong)穴會直接復(fu)合(he),從而釋放能量發(fa)光,其具有功(gong)耗小、使用(yong)壽命長(chang)等優點,在照(zhao)明領域應用(yong)廣(guang)泛。然(ran)而,目前的(de)(de)光電轉(zhuan)換效率(lv)較低,有很大(da)比重轉(zhuan)化為(wei)熱(re)能,故LED芯(xin)片上的(de)(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)很大(da)。大(da)的(de)(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)對(dui)器件的(de)(de)散熱(re)也提出了高(gao)的(de)(de)要(yao)求,發(fa)光二極(ji)管(guan)(guan)中封裝件散熱(re)問題(ti)已成(cheng)為(wei)影(ying)響其產(chan)業化發(fa)展的(de)(de)重大(da)問題(ti)。
LED 的散熱機構一般(ban)有這幾種形式:
1.利用熱傳(chuan)導金屬或散(san)(san)熱鰭片與LED封裝件貼合(he)散(san)(san)熱。
2.加裝風扇強制散熱。
3.在封裝件(jian)中設置(zhi)流通(tong)液體(ti)散熱(re)。
4.熱(re)管在封裝件(jian)中(zhong)的結合,利用熱(re)管內工(gong)作介質相變時可吸(xi)收或散發熱(re)能。
熱(re)(re)管(guan)散熱(re)(re)利用物質(zhi)相(xiang)變的(de)(de)原(yuan)理,具有可吸收或散發高(gao)(gao)熱(re)(re)能的(de)(de)特性,這使得(de)熱(re)(re)管(guan)成為(wei)具備極高(gao)(gao)的(de)(de)熱(re)(re)傳導(dao)效(xiao)率(lv)的(de)(de)設備, 熱(re)(re)管(guan)冷卻主要是利用工作(zuo)流體在真空中(zhong)的(de)(de)蒸(zheng)(zheng)發與冷凝(ning)(ning)來傳遞熱(re)(re)量(liang),當熱(re)(re)管(guan)的(de)(de)一端(duan)(duan)(duan)受熱(re)(re)時,毛細(xi)芯(xin)中(zhong)的(de)(de)工作(zuo)液(ye)體蒸(zheng)(zheng)發汽化,蒸(zheng)(zheng)汽在壓(ya)差之下流向另一端(duan)(duan)(duan)放出熱(re)(re)量(liang)并凝(ning)(ning)結成液(ye)體,液(ye)體再沿(yan)多孔材料依靠(kao)毛細(xi)管(guan)作(zuo)用流回蒸(zheng)(zheng)發端(duan)(duan)(duan),熱(re)(re)量(liang)得(de)以沿(yan)熱(re)(re)管(guan)迅速傳遞。
傳統(tong)無(wu)機(ji)LED技術相對成熟且(qie)發(fa)(fa)光(guang)(guang)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)高,在照(zhao)明領域應用廣(guang)泛(fan),但(dan)外延生(sheng)長等制備(bei)工藝限制了其(qi)難用于(yu)大面(mian)(mian)積和(he)柔(rou)性器件制備(bei)。有(you)(you)機(ji)或量(liang)子(zi)點LED具有(you)(you)易(yi)于(yu)大面(mian)(mian)積成膜(mo)、可(ke)(ke)柔(rou)性化(hua)等優勢,但(dan)是高亮度下(xia)的(de)(de)低效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)和(he)短壽命(ming)問題還亟待解決。金屬鹵(lu)化(hua)物鈣鈦礦型材(cai)料兼(jian)具無(wu)機(ji)和(he)有(you)(you)機(ji)材(cai)料的(de)(de)諸(zhu)多優點”。如可(ke)(ke)溶液法(fa)大面(mian)(mian)積制備(bei)、帶(dai)隙(xi)可(ke)(ke)調、載(zai)流子(zi)遷移率(lv)高、熒(ying)光(guang)(guang)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)高等。因此,基于(yu)鈣鈦礦材(cai)料的(de)(de)LED相較于(yu)傳統(tong)發(fa)(fa)光(guang)(guang)二極管具有(you)(you)諸(zhu)多優勢,尤其(qi)是可(ke)(ke)低成本、大面(mian)(mian)積制備(bei)高亮度、高效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)發(fa)(fa)光(guang)(guang)器件,對顯示與照(zhao)明均具有(you)(you)重要意義。
鈣鈦礦(kuang)發(fa)(fa)光二極(ji)管發(fa)(fa)展迅(xun)速,自2014年劍橋大學(xue)報道首篇外(wai)量(liang)子(zi)效(xiao)率(lv)(EQE)為0.76%的(de)(de)三維(wei)鈣鈦礦(kuang)發(fa)(fa)光器 件(jian)以來,經過(guo)短短五年的(de)(de)發(fa)(fa)展,近紅(hong)外(wai)、紅(hong)光和綠(lv)光鈣鈦礦(kuang)發(fa)(fa)光器件(jian)的(de)(de)外(wai)量(liang)子(zi)效(xiao)率(lv)均已突破20%。值得一提的(de)(de)是中(zhong)國科學(xue)家在鈣鈦礦(kuang)發(fa)(fa)光領域里(li)的(de)(de)多個方(fang)(fang)向開創了全新的(de)(de)研究方(fang)(fang)法。
2015年,南(nan)(nan)京(jing)(jing)工(gong)業(ye)大(da)學(xue)(xue)與浙(zhe)江大(da)學(xue)(xue)團隊合作報(bao)道了(le)(le)(le)外(wai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)效率(lv)為3.5%的(de)(de)鈣(gai)鈦礦發(fa)光二極管,為當時的(de)(de)最高紀錄,也是國內在此領域的(de)(de)首篇論文。隨后(hou),北京(jing)(jing)理工(gong)大(da)學(xue)(xue)和(he)南(nan)(nan)京(jing)(jing)理工(gong)大(da)學(xue)(xue)相繼報(bao)道了(le)(le)(le)基于量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)點(dian)的(de)(de)鈣(gai)鈦礦LED。2016年,南(nan)(nan)京(jing)(jing)工(gong)業(ye)大(da)學(xue)(xue)采用具有多量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)阱(jing)結(jie)構的(de)(de)鈣(gai)鈦礦實現了(le)(le)(le)外(wai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)效率(lv)突破10%的(de)(de)近(jin)紅外(wai)鈣(gai)鈦礦LED, 相關成果于2016年發(fa)表于《Nature Photonics》。采用類似(si)方法,中國科學(xue)(xue)院半導體研(yan)究所將(jiang)(jiang)綠(lv)光鈣(gai)鈦礦LED的(de)(de)外(wai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)效率(lv)提高到14.36%。2018年,南(nan)(nan)京(jing)(jing)工(gong)業(ye)大(da)學(xue)(xue)首次將(jiang)(jiang)近(jin)紅外(wai)鈣(gai)鈦礦LED外(wai)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)效率(lv)提升至20.7%,性能媲(pi)美已產(chan) 業(ye)化(hua)的(de)(de)有機和(he)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)LED。同年,華(hua)僑大(da)學(xue)(xue)”州將(jiang)(jiang)綠(lv)光鈣(gai)鈦礦LED的(de)(de)EQE提升至20.3%。
這兩項國(guo)內成(cheng)果(guo)被《Nature》 邀請的領域(yu)專家評述為“突破(po)性(xing)成(cheng)果(guo)”, “是鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)材料(liao)在發(fa)光(guang)二極管中應用的里(li)程碑式跨越”, “使(shi)鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)LED技術突破(po)性(xing)能障礙,將推動鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)LED的產業化發(fa)展”。總(zong)體來(lai)說,目前中國(guo)在鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)LED研究方面(mian)處于(yu)世(shi)界領先地位,特別(bie)是在高亮度、高穩定性(xing)鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)發(fa)光(guang)器(qi)件方面(mian),已經取得具有自主知識產權。有世(shi)界影響力的創新成(cheng)果(guo)。
盡管鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)LED的(de)研(yan)究已經取得了(le)很大的(de)進(jin)展,但其發(fa)展仍(reng)然面(mian)臨著諸多挑(tiao)戰。首先,鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)LED的(de)穩(wen)(wen)定(ding)性問題需(xu)要(yao)解決。目前通過材料(liao)設計、器(qi)件(jian)結構及界面(mian)優化(hua)等方法已大大提升了(le)鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)LED的(de)穩(wen)(wen)定(ding)性,但尚未達(da)到產(chan)業化(hua)的(de)要(yao)求。其次,鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)材料(liao)中(zhong)鉛元素的(de)毒性可(ke)能是其產(chan)業化(hua)道路上(shang)的(de)一個障礙(ai)。研(yan)究發(fa)現許(xu)多元素(如錫、銅(tong)、 鍺及銀(yin)等)在鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)材料(liao)中(zhong)可(ke)以替(ti)代(dai)鉛元素,但目前利用這些(xie)元素制備的(de)器(qi)件(jian)性能還不(bu)及鉛基鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)LED。此外, 大面(mian)積模塊化(hua)制備鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)LED仍(reng)處于萌芽期(qi),如何發(fa)展制備工(gong)藝來(lai)進(jin)行(xing)可(ke)控(kong)大面(mian)積生產(chan)還需(xu)要(yao)解決。
總(zong)之(zhi),鈣鈦礦發(fa)光材料與器件(jian)具有誘人的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)前景, 未來(lai)隨著(zhu)對材料理解的(de)(de)(de)深入及工藝(yi)技(ji)術的(de)(de)(de)進步,有望(wang)進一 步提高器件(jian)的(de)(de)(de)效(xiao)率和穩定性,推進其產業化(hua)進程。在(zai)不遠的(de)(de)(de)將來(lai),鈣鈦礦LED將會以(yi)其優異的(de)(de)(de)性能和低廉的(de)(de)(de)成本成為新(xin)一代顯(xian)示與照(zhao)明的(de)(de)(de)有力競爭者,在(zai)未來(lai)照(zhao)明與顯(xian)示產業中占有重要地位。