LED元件简介

2023/10/20 | 作者：BOB体育地址

　　從表3能够精确的看出，除藍光LED的發光強度及發光功率較低外，其他發光顏色的發光強度及發光功率都相當高。

　　在上世紀末，或许受螢光燈的啟發，人們在高亮度藍光LED管芯上加一層螢光粉，用藍光激發螢光粉發出白光的白光LED。採用不同的螢光粉，可發出冷白光(色溫為4500-10000K)及暖白光(色溫為2850-3800K)的白光LED。现在，白光LED的發光功率大都已超過30lm/W，某些產品已超過50lm/W的水準，它給用於照明的LED燈泡創造杰出的條件。

　　在2005年，業界開發成功了無螢光粉、Φ5通明樹脂封裝的白光LED。該白光LED採用藍寶石(Al2O3)為襯底，採用InGaN工藝技術製成。在IF為20mA時，發光強度為700-1200mcd，為LED的遍及應用奠定了基礎。

　　现在，CCFL是大尺度LCD產品中應用最廣泛的背光技術。雖然從技術上來說CCFL已經相當老练，無論是功用還是穩定性都久經考驗。但在NB產品、大尺度LCD-TV產品日益強調輕薄矮小、更高的颜色表現和更強的環保特性趨勢下，逐漸顯示出強大的應用远景。LED背光技術的優勢首要表現在∶

　　LED作為LCD背光會帶來哪些好處呢？首要，採用LED背光的LCD的體積將進一步縮小。LED背光源是由眾多柵格狀的半導體組成，每個“格子”中都擁有一個LED半導體，這樣LED背光就成功實現了光源的平面化。平面化的光源不僅有優異的亮度均勻性，還不需要複雜的光路設計，這樣一來LCD的厚度就能做得更薄，同時還擁有更高的可靠性和穩定性。更薄的液晶顯示面板意味著筆記本電腦擁有更佳的移動性。例如，2005年10月SONY就推出了11.1英寸，运用白光LED的VAIO筆記型電腦TX系列，採用了厚度僅有4.5mm的LED背光液晶顯示幕，使NB分量下降到1.26公斤，且螢幕厚度也降到僅4.5mm，整體NB厚度更下降16%到21mm，亮度也添加30%，且由於运用白光LED也使電池續航力大幅进步。

　　LED元件在2005年的全球市場規模約為57.4億美元，其间50%在日本，20%在臺灣。除了各種應用照明、戶外建築及手機背光源等應用外，業界正在積極找尋各種新應用。本文介紹了LED的根底原理、技術趨勢，以及市場動態。

　　發光二極體(LED是运用光輻射原理來發光的，其發光顏色與製作资料有很亲近的關係。LED技術的開發，從前期的紅光、綠光，一直到開發成功藍光LED，才通過整合紅、藍、綠，或把藍光螢光粉與黃色螢光粉混合，成為白光LED。成功開發出白光LED的最大好處，是能够應用於多波長，讓運用領域變得廣泛而深遠。

　　LED是繼1950年代矽(Si)半導體技術後，由三五族(III-V族)化合物半導體發展的半導體器材。LED的發光原理是运用半導體中的電子和空穴結合而發出光子，不同於燈泡需要在3000度以上的高溫下操作，也不用像日光燈需运用高電壓激發電子束，LED和一般的電子元件相同，只需要2-4V的電壓，在常溫下就能够顺畅動作，因而其壽命也比傳統光源來得更長。

　　LED的製作過程與製作矽晶圓IC很类似，首要运用化學週期表中超高純度的III族元素——鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)，以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)為资料，在高溫下反應成為化合物，經過單晶生長技術，製成單晶棒，經過切开、研磨、拋光成為晶片，再將其作為基板(substrate)，运用磊晶技術將發光资料生長在基板上，製成的磊晶片經過半導體鍍金和蝕刻工藝後，通過細切加工成LED晶粒。

　　LED所發出的顏色，首要是取決於電子與空穴結合所釋放出來的能量凹凸，也便是由所用的半導體资料的能隙所決定。同一種资料的波長都很挨近，因而每一顆LED的光色都很純正，與傳統光源都混有多種顏色比较，LED可說是一種數位化的光源。

　　LED晶片巨细能够因用处而隨意切开，常用的巨细為0.3-1.0mm左右，跟傳統的燈泡或日光燈比较，體積相對小得多。為了运用起来更快捷，LED一般都运用樹脂包裝，做成5mm左右的各種形狀，非常堅固耐震。

　　在颜色表現力方面，LED背光也遠勝於CCFL。原有的CCFL背光由於色純度等問題，在色階方面表現欠安。這就導致了LCD在灰度和颜色過渡方面不如CRT。更重要的是，冷陰極螢光燈色域較為狹窄，會嚴重影響在LCD顯示器上顯示的色譜，導致幾乎一切的LCD顯示器都無法達到平面印刷的Adobe RGB色域標準。據測試，採用CCFL背光只能實現NTSC颜色區域的78%，近期少數面板廠商採用CCFL技術最高能夠達到92%NTSC，後續进步空間不大，而LED背光卻能輕鬆地獲得超過100%的NTSC色域表現。在颜色表現力和色階過渡方面，LED背光也有顯著的優勢，其颜色表現力強於CCFL背光源，颜色還原好，可對顯示颜色數量缺乏的液晶技術起到很好的彌補效果。

　　我們知道，LED的發光強度與正向電流IF幾乎成線性關係，即添加正向電流IF可添加發光強度。但LED有一個最大功耗PD值的约束，PD=VF×IF(VF為正向壓降)，若過大地添加IF而使PD超過最大值時，LED會過熱而損壞。為了要进步發光強度，開發出中功率LED(一般為幾百mW)，其作业電流也进步到70mA。近年來，為進一步进步發光強度，開發出大功率LED，其功率一般為1-10W(有一些還大於10W)。它的作业電流一般為350-700mA，有些可達1A以上。

　　XL7090WHT是超高亮度、小尺度封裝的白光LED。XL7090WHT的發光強度大，電流350mA時的典型光通量為60lm，在瞬態脈衝電流700mA時典型光通量可達98lm，而现在一般1W白光LED的光通量為30-45lm)；XL7090WHT的發光功率高達60lm/W，視角寬達100°；封裝尺度僅為9×74.3mm；作业溫度範圍是-20-80℃。

　　隨著半導體资料及半導體工藝技術、設備的發展，LED的亮度不斷进步，開發出高亮度及超高亮度LED，並且不斷創造新記錄。以Φ5標準封裝、發紅光、視角差別不大的LED為例，不同生產年份LED的發光強度如表1所示。

　　從表1能够精确的看出，近30年LED的發光強度进步了8000倍左右。1969-1987年LED的發光強度是很低的，發展很慢，但1994-2005年LED的亮度有很大的發展。表1列出的並非發光強度最高的。例如，在GaAs的襯底上採用AlInGaP工藝技術製成的Φ5、紅光LED，在小視角4°、50mA作业電流時，其典型發光強度為20000mcd。

　　開發的產品及與LED配套的產品(如白光LED驅動器)發展敏捷，新產品不斷上市，並已發展成為一種新式產業。

　　LED技術研發之路，最為人津津樂道的故事，便是開發藍光LED時，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩大門派之爭。這也是許多研發團隊勤劳投入開發藍光LED元件時，必須苦楚抉擇的兩條天壤之别的路途。

　　之前，全球許多大公司皆投入SiC研發，結果日本一家專門做螢光粉業務的公司——日今日亞化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研發人員中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化鎵(GaN)研讨方面獲得重大打破，並获得震驚全球的專利。這位研發人員的重大打破，引發了包含Sony及Toshiba等大廠的最高主管都出头為自己所做的錯誤決策導致技術落後而抱歉。這位Nakamura的技術打破，讓氮化鎵(GaN)陣營正式快速逾越SiC。

　　本来做螢光粉業務的Nichia由於在藍光LED技術上的成功，使其年營業額從約1億美元快速發展到2003年的9億美元。而本来該公司準備發給Nakamura的專利獎勵金是日幣200萬元，經過一場官司後，Nichia被断定應該給這位研讨人員日幣2億元。

　　繼藍光LED技術打破後，白光LED正式啟動了廣泛的LED應用風潮，從顯示、指示及手機光源，到正在醞釀中的LCD-TV背光源，各種新機會的大門不斷被創意敲開。

　　前期生產的LED是小功率的(幾十至上百mW)，現在已能生產大於10W的大功率LED，在功率上添加了100倍以上。

　　雖然說小功率LED與大功率LED的發光功率是差不多的，但LUMILEDS公司的研讨标明，大功率白光LED比Φ5白光LED的壽命更長。别的，採用许多小功率白光LED組成的燈泡可靠性也差一些，燈泡體積也較大。例如，用1W白光LED做成燈具，其尺度為50.8×50.8×7.1mm，而採用Φ5白光LED來做，其體積則要大得多。但现在大功率LED投產時間不長，價位較高，所以现在大部分LED燈泡仍是用小功率LED做的。

　　由於XL7090WHT發光強度大、發光功率高，因而它適用於家庭、商業或公共場所明、DVD、筆記本電腦、電視機的五颜六色顯示幕的背光；廣告燈、路燈及標燈；汽車及運輸东西的內外照明及數碼相機的閃光燈等。

　　從表1和表2也能够精确的看出，LED的發光強度及發光功率的进步首要取決於採用的半導體资料及其工藝技術的發展。前期的LED首要用GaAs、GaP(二元素半導體资料)和GaAsP(三元素半導體资料)，1994年左右採用AlInGaP(四元素半導體资料)後，其發光強度及發光功率有很大的进步。别的，在工藝技術上採用在GaAs襯底上用AlInGaP资料生產的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN资料生產的綠光、藍光LED，在發光強度及發光功率上有較大的改進。

　　LED另一個重要功用指標是發光功率η，用lm/W來表達。各年份生產的LED發光功率如表2所示。從表2能够精确的看出，這30多年來，LED的發光功率进步了250倍以上。1970-1990年LED發光功率进步較慢，1990-2005年則进步較快。例如，Cree公司生產的1W白光LED XL7090WHT，其發光功率可達60lm/W。

　　在發光壽命方面，LED背光技術將CCFL遠遠拋在後面。一般的CCFL背光源一般的运用壽命在3萬小時左右，一些頂級的CCFL背光的發光壽命也不過在6萬小時左右。這樣的壽命對於頻繁运用的用戶來說意味著运用2-3年後LCD的亮度就將會明顯下降，許多LCD產品在运用幾年後螢幕就會發黃、亮度明顯變暗，而不得不更換LCD的CCFL背光模組。而LED背光則彻底沒有這樣的問題，現階段白色LED背光的壽命已經高達10萬小時。每天連續运用10個小時，能够連續用上27年，即便24小時不間斷运用，這樣的壽命也足夠运用5年！并且還有再次进步的潛力。

　　值得注意的是，除了大家常見的可見光外，LED還有不行見光，如“紫外光”與“紅外光”等，例如電視遙控器便是一種紅外光應用，其波長約為900nm，而紫外光則因為具有殺菌功用，所以被廣泛應用在醫療用处上。

　　作為指示燈方面的應用，有幾個mcd的發光強度也能够了，但由LED組成的數碼管或字元管則顯得亮度缺乏，若要用於戶外作信號或標顯示，則其亮度太低，不能滿足运用的要求。所以LED的首要發展方向是进步發光強度(也便是一般所指的进步亮度)。

　　白光LED是LED宗族中最後一個問世的，它的誕生是LED生產中一個重要的打破，它將成為新的照明光源。

　　白光是複合光，能够用紅、綠、藍(R、G、B)三基色LED混组成白光。1995年前後生產的一種集成LED白光燈(或稱全色LED燈)由2個高亮度藍光LED、15個綠光LED及5個紅光LED組成。這種白光LED燈尺度大、白光純度不高、發光功率也不高。但這種三基色燈用單片機來操控可發出七色光及白光的變色燈，可用於娛樂場所，添加節日氣氛。别的，採用RGB三種管芯組成的RGB LED常用於手機的變色背光。

　　早在1907年開始，人們就發現某些半導體资料製成的二極體在正嚮導通時有發光的物理現象，但生產出有必定發光功率的紅光LED已是1969年了。1994-1995年人們開發成功了藍光LED，並在1998年實現了线年間，研發人員不斷寻求本钱效益，使LED成功打入手機背光源市場。到今日，LED已生產了30多年，各種類型的LED、运用LED作二次