任务一
LED基础知识

发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED）是一种能够将电能转化为光能的固态半导体器件，它可以直接把电转化为光。1923年，罗塞夫（O.W Lossen）在研究半导体SiC时，发现掺有杂质的PN结中有光发射，后来经过实验研制出了发光二极管，但当时只是处于实验室研究阶段，并没有受到外界重视。随着电子工业的快速发展，在20世纪60年代，显示技术得到迅速发展，人们便研究出了商用LED。早期的LED只能发出低光度的红光，随着半导体的制作和加工工艺逐步成熟，之后发展出了其他单色光的产品，现在能发出的光波段范围已遍及可见光、红外线及紫外线等，光度也极大地提高了。LED也由最初阶段的指示灯、显示板等简单应用，发展应用到了显示器、广告、装饰和照明等领域。

知识点1：LED发光原理

LED是半导体二极管的一种，与普通二极管一样由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入N区的空穴和由N区注入P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射光，辐射光的强弱与回路电流大小有关，如图1-1所示。不同的半导体材料中，电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，发出的光的波长也不同，波长范围可遍及从紫外线到红外线的较广范围，常用的是红光LED、绿光LED或黄光LED。

众所周知，可见光光谱的波长范围为380nm～760nm，是人眼可感受到的七种单色光：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，如图1-2所示。例如红光LED发的红光的峰值波长为565nm。

在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，它是由多种单色光合成的复合光。正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光是由三基色红、绿、蓝合成的。太阳光经过色散系统分光后，光谱图如图1-3所示。

在常见LED照明产品中应用较多的光源是白光LED，而目前LED芯片大多为单色发光材料，如何制造出质量合格的白光LED也成为LED照明应用的关键技术之一。对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成：第一种是利用一个单色芯片与荧光粉配合形成白光，即单晶型白光LED；第二种是多种单色光芯片混合方法，即多晶型白光LED。这两种方法都能成功制成白光LED。

单晶型白光LED，即一只单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉，就如同日光灯的发光方式一样，采用LED发光二极管激发荧光粉发光。通常采用两种激发方式：一种方式是蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光，另一种方式是紫外线LED激发RGB三基色荧光粉来产生白光。目前，最常用的单晶型白光LED主要采用蓝光芯片激发黄色荧光粉的方式。

多晶型白光LED，即使用两个或两个以上的互补单色LED所发出的单色光混合而形成白光。因为不同色彩的LED发光二极管的驱动电压、光输出、温度特性及寿命各不相同，因此使用多晶型LED产生白光的方式，比单晶型LED产生白光的方式复杂。也因LED发光二极管的数量多，使得多芯片型LED的成本较高。另外，若采用单晶型，则只要用一种单色LED即可，在驱动电路的设计上也较为容易。

知识点2：LED制作工艺

LED产业链大致可以分为五个部分：原材料的制备、LED上游产业（外延材料和芯片制造）、LED中游产业（LED器件封装）、LED下游产业（LED应用产品）以及测试仪器和生产设备。本知识点将重点介绍芯片工艺和封装工艺。

1. LED芯片制作工艺流程

LED芯片主要有两种类型：单面电极芯片和双面电极芯片，如图1-4所示，两种芯片结构略有差异，但制造工艺大体相同。

首先，在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片，这个过程主要是在金属有机物化学气相沉积炉（MOCVD）中完成的。准备好制作GaN基外延片所需的材料和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。常用的衬底材料主要有蓝宝石（Al ₂ O ₃ ）、碳化硅（SiC）、硅（Si）和砷化镓（GaAs）等。

MOCVD是利用气相反应物及Ⅲ族的有机金属化合物和Ⅴ族的NH ₃ 在衬底表面进行反应，将所需的反应产物沉积在衬底表面，如图1-5所示。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶体结构完整性等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。

其次，对LED的PN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、光刻、化学刻蚀、合金化、研磨。

最后，对LED外延片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。

芯片的前段各项工艺如清洗、蒸镀、光刻、化学蚀刻、合金化、研磨等作业都必须严格遵守操作规范，避免芯片电极刮伤情形发生。LED芯片的总体制作流程如图1-6所示。

2.常见LED芯片介绍

①根据LED芯片功率不同，可分为小功率LED芯片和大功率LED芯片两种。

②根据LED芯片发光颜色不同，主要分为三种：红光LED芯片、绿光LED芯片和蓝光LED芯片，如图1-7、图1-8所示。其中蓝光芯片可通过涂覆黄色荧光粉制作白光LED。

③根据LED芯片尺寸不同，一般可分为8mil ¹ 、9mil、12mil、14mil、20mil、40mil、45mil的分形芯片或10×23mil、10×20mil、10×30mil、8×20mil等矩形芯片。

3. LED封装工艺流程

（1）LED封装的目的

将外引线连接到LED芯片的电极上，利用固封胶（环氧树脂或硅胶）保护LED芯片和引线不受损伤，并且起到提高光输出效率的作用。

（2）LED封装工艺流程

LED的心脏就是PN结芯片，目前LED产品种类丰富多样，封装形式也各有不同。以目前常见的小功率LED和大功率LED为例，它们的内部封装结构如图1-9所示。

LED不同的外形结构只是为了满足不同应用的结构需要，但封装工艺基本类似。以小功率直插式LED为例，具体的封装工艺流程如下。

①芯片检验。

②扩片：由于LED芯片在划片后依然排列紧密、间距很小（约0.1mm），不利于后面工序的操作，因此需要采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使得LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。

③点胶：在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶，以固定芯片。对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的芯片，采用银胶；对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶。

④固晶：固晶也叫刺晶或装架，是利用手工或自动固晶机将扩张后的LED芯片安置在已点胶的LED支架内的。

⑤固晶后镜检：剔除或补固固晶失效的晶片。

⑥固晶烤胶：目的是使银胶或绝缘胶固化，固晶烤胶要求对温度进行监控，防止批次性不良。

⑦固晶烤胶后镜检。

⑧压焊：目的是将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作，主要有金丝球焊和铝丝压焊两种。

⑨压焊后镜检。

⑩灌胶封装：Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧树脂，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧树脂固化后，将LED从模腔中脱出即成型。

⑪固化：是指封装环氧树脂的固化，一般环氧固化条件为135℃，1h。

⑫后固化：是为了让环氧树脂充分固化，同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架（PCB）的粘接强度非常重要。一般条件为120℃，4h。

⑬切筋和划片：由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp-LED封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。

⑭测试：测试LED的光电参数、检验外形尺寸，对LED产品进行分选。

⑮包装：将成品进行计数包装，超高亮LED需要防静电包装。

（3）LED封装种类

根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果，LED的封装形式多种多样。

目前，LED按封装形式分类主要有Lamp-LED（直插式LED）、SMD-LED（表面贴装LED）、食人鱼式LED、High-Power-LED（高功率LED）等。

①Lamp-LED（直插式LED）：直插式LED多为小功率LED，多用于家用电器的直插灯、LED显示屏、户外看板、公共场所的LED路灯、汽车内外灯，如图1-10所示。

②SMD-LED（表面贴装LED）：广泛应用于LED灯具中，贴片式结构小型、薄型、轻量化，无形状限制，容易应用于各式产品中，如图1-11所示。

③食人鱼LED：正方形、透明树脂封装、四个引脚、负极处有个缺脚的LED，如图1-12所示。食人鱼LED是散光型的LED，发光角度大于120°，发光强度很高，而且能承受更大的功率。多应用于车用刹车灯或转向灯。

④High-Power-LED：也称为大功率LED，如图1-13所示。普通LED功率一般为0.05W，工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。大功率LED在目前的LED照明灯具中应用最为广泛，比如大功率LED路灯、大功率LED射灯、大功率LED投光灯等。但目前大功率白光LED的应用依然受到转换效率较低、光通量较小、成本较高、荧光粉使用时间长易变色、散热等方面因素的制约，各大厂家也正在努力改善技术，解决这些问题。

知识点3：LED的特性

1.电学特性

（1） I - V 特性曲线

LED的 I - V 特性是流过PN结的电流随PN结两端电压变化的特性。LED的 I - V 特性具有非线性、单向导电性，以及外加正偏电压时表现为低电阻，反之为高电阻。LED的伏安特性曲线划分为正向特性区、反向特性区和反向击穿区3个区，如图1-14所示。

①正向特性区。 a 点对应的 V _a 为开启电压（也称为正向死区电压）。当LED两端的电压小于 V _a 时，通过LED的电流很小，LED呈现的电阻很大。当LED两端的电压大于 V _a 时，LED电阻迅速减小，电流迅速增加。

LED的开启电压与颜色有关系，红、黄、绿的开启电压在1.8V～2.4V之间，白、蓝、翠绿的电压在3.0V～3.6V之间。

②反向特性区。当LED外加反向电压时，P型半导体中的少数自由电子和N型半导体中的少数空穴很容易通过PN结，形成反向电流。反向电流有两个特点：一是它随温度升高而增加很快，二是在一定的反向电压范围内，反向电流不随反向电压变化而变化。反向电流越小，表明LED的单向导电性能越好。

③反向击穿区。当LED两端的反向电压大于 V _R （也称为反向击穿电压）时，反向电流急剧增加，出现反向击穿现象。LED所用材料不同，它的反向击穿电压也不同。

（2）响应时间

LED的响应时间是指输入正向电流后LED开始发光（光通量上升）和熄灭（光通量衰减）的时间，如图1-15所示。

图1-15中， t ₀ 很小，可以忽略。LED的点亮时间（ t _r ）是指从接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED的熄灭时间（ t _f ）是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。LED的响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。直接跃迁材料GaAs _{l- x} P _x 的响应时间仅几纳秒，而间接跃迁材料GaP的响应时间则是100ns。

LED的响应时间是标志其反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。在采用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光时，LED的调制频率高达几十兆赫兹。采用这种直接调制技术使LED在相位测距仪、能见度仪及短距离通信中得到应用。

（3）极限参数

①允许功耗 P _m ，允许加在LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED将发热、损坏。

②最大正向直流电流 I _Fm ，允许加在LED两端的最大正向直流电流。超过此值将损坏LED。

③最大反向电压 V _Rm ，所允许加在LED两端的最大反向电压。超过此值，LED可能被击穿损坏。

④工作环境 t _opm ，LED正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，LED将不能正常工作，效率大大降低。

2.光学特性

（1）发光强度及其角分布

①发光强度，LED的发光强度通常是指法线方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为1/683W/sr，则发光强度为1cd（坎德拉）。发光强度的角分布 θ 是描述LED发光在空间各个方向上的光强分布，当偏离正法向不同 θ 角度时，光强也随之变化。 θ 主要取决于封装的工艺，包括支架、模粒头、环氧树脂中添加的散射剂等因素。

②视角，光源沿中心法线方向向四周张开，中心光强从1到周围的1/2之间的夹角，即为半强角度，也称为半值角或半功视角 θ _1/2 ，半值角的2倍称为视角。通常采用视角来衡量LED的指向性，视角越小，LED的指向性越强。按照视角的大小，可以将LED分为高指向型（视角为5°～20°或更小）、标准型（视角为20°～45°）和散射型（视角为45°～90°或更大）。

（2）发光峰值波长及其光谱分布

①发光峰值波长，LED所发的光并非单一波长，其波长分布基本如图1-16所示。

为了描述LED的色度特性，引入主波长概念，它是指人眼所能观察到的LED发出主要单色光的波长。无论什么材料制成的LED，LED光谱分布曲线都有一个相对发光强度的最强处，与之相对应有一个波长，称为峰值波长 λ _P 。虽然有的LED可发出多个峰值波长的光，但其主波长只有一个。存在两个光强等于峰值一半的点，两点间的宽度为Δ λ ，这个宽度称为频谱宽度，也称为半功率宽度或半高宽度。频谱宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数。

②光谱分布曲线，是指LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线。LED的光谱特性表征其单色性的优劣和其主要颜色是否纯正。LED的光谱分布与所用化合物半导体种类、性质及PN结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。图1-17给出几种由不同化合物半导体及掺杂制得的LED光谱分布曲线。

（3）光通量

光通量是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件性能的优劣。光通量为LED向各个方向发光的能量之和，用 Φ 表示，单位为流明（lm），它与工作电流有直接关系。LED的光通量与流过LED的电流的比值是非线性关系，LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加，但却不成正比，越到后来光通量增加得越少。LED的光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。

（4）发光效率和视觉灵敏度

①发光效率，是光通量与电功率之比，它表征了光源的节能特性。表1-1列出了几种常见LED的发光效率。

②视觉灵敏度，若视觉灵敏度记为 K _λ ，则与发光能量 P 、可见光通量 Φ 之间关系为 ， 。人的视觉灵敏度在 λ =555nm处有一个最大值680lm/W。

（5）寿命

LED的光亮度将随着长时间工作而出现光强度或光亮度衰减，通常将光通量衰减到初始值的70%时的工作时间作为LED的平均工作寿命。影响LED寿命的主要因素有芯片质量、器件热阻和可具的散热性好坏等几个方面。

（6）发光质量

①LED的发光强度，影响LED发光强度的主要因素是LED芯片，并不受支架和金线影响。

②LED的一致性，LED产品的一致性有角度的一致性（主要是偏角和角度大小不一致）和亮度的一致性（这跟所用芯片的品质和灯杯的好坏有关），它与生产设备的工艺和操作人员的技术水平有关。

3.热学特性

（1）LED的热性能参数

①LED的结温，就是PN结区的温度。一般在正常工作条件下，结晶不应超过80℃。LED的最高结温是指LED的PN结所能承受的最高临界温度。LED的最高结温与LED所使用的半导体封装材料和封装结构有关，通常为120℃～150℃，一旦LED的PN结温度超过这个极限值，将导致LED提前失效或永久性失效。

②热阻 R _θ ，一般是指LED的PN结到壳体表面之间的热阻，它等于PN结到壳体表面之间的温度差与产生这个温度差的热耗散功率之比，单位为℃/W。热阻是表征LED散热性能好坏的参数。热阻越小，导热能力越强，则LED的热量越容易从PN结中传导出来。

（2）温度对LED性能的影响

与传统光源一样，LED在工作时也会产生热量。LED在外加电场的作用下，电子与空穴大量复合，除了一小部分能量以光能的形式释放外，其他大部分的能量以非辐射的形式释放。于是造成半导体晶格振动，并产生热量，导致LED结温的升高。随LED芯片结温的升高，PN结内部电子和空穴的浓度、禁带宽度以及电子迁移速率等微观参数都会发生变化，从而影响LED的光电参数。

①LED随着温度的升高，光通量输出会减少。图1-18所示InGaN类LED光通量输出与结温关系图。

②在电流一定的情况下，随着温度的升高，LED正向压降会降低，如图1-19所示。

③随着温度的升高，LED的主波长会向长波长漂移，如图1-20所示。每当结温升高10℃，波长将向长波长漂移1nm。

④当LED的工作温度超过芯片所能承受的温度时，LED的发光效率快速降低，产生明显的光衰，进而缩短LED的寿命。高亮度LED的使用寿命与工作温度的关系如图1-21所示。假设结温为 x ℃，此时寿命为97000h；当结温升高10℃时，寿命缩短为55000h；当结温升高20℃时，寿命缩短为32000h。

知识点4：LED的产品优势

1.节能

LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达50%～60%。LED的耗电相当低，发热量比普通照明灯具低很多。一般来说，LED的工作电压是2V～3.6V，工作电流是0.02A～0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，在实现相同照明效果时，比传统光源白炽灯节能80%以上，其节能效率随发光效率的提高而提高。

2.环保

LED为冷光源，眩光小、无辐射、使用中不产生有害物质。LED的工作电压低、采用直流驱动方式、发光稳定、没有50Hz的频闪。LED光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染（不含汞元素），可以安全触摸，被称为“绿色能源”。

3.多变幻

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机的控制下使3种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合，可实现丰富多彩的动态变化效果及显示各种图像。

4.响应速度快

LED的响应时间只有10 ^-7 s～10 ^-9 s，高频特性好。目前，LED已应用于可见光通信领域，通过快速关断的脉冲信息来传达信号。

5.寿命长

LED光源被称为长寿灯，它采用环氧树脂封装，抗振动性和抗冲击性好，灯体内没有易松动的部分，不存在灯丝发光易燃、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达2.5万～5万小时，比传统光源的寿命长10倍以上，省去器件更换和人工方面的花费，运行成本低。

6.智能化

与传统光源单调的发光效果相比，LED容易与数字集成电路匹配，利用计算机技术、网络通信技术和嵌入式控制技术等，使LED照明产品具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

1 1mil=25.4×10 ^-6 m,下同。 3bkk0WyPN7K9a0TRAF5OlBc2wsjwYlp8rP0sJ4VKjAlTarX93dZjhvvw2nLnWasc