半导体照明LED.doc
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1、半导体照明(LED)百 题 问 答上海市光电子行业协会二OO五年二月1、光的本质是什么,物体发光有哪几种方式?42、谓电致发光?半导体发光为何属冷光?54、简单介绍一下LED的发展历史好吗?55、请问照明光源的基本种类与主要性能有哪些?66、如何描述LED的基本特性?67、传统光源相比,LED光源有哪些优点?89、何谓绿色照明光源?它有哪些特点?810、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?912、哪些产业是LED产业链的构成部分?1018、当前我国LED产品与国际先进相比,主要差距在哪里?1019LED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
2、体材料?1122、当前生产超高亮LED的外延方法主要有几种?什么是MOCVD?1127、请可否能深入浅出地介绍一下LED芯片的制造流程。1229、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?1330、LED的芯片为什么要分成诸如8mil,9mil13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?1534、请介绍一下“透明电极”芯片的结构与它的特点?1635、什么是“倒装装芯片”(Flip Chip)?它的结构如何?它有哪些优点?1636、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么?1737、LED芯片封装成发光二极管一般可以分成哪几种形式?
3、他们在结构上各有什么不同?1738、LED芯片封装成器件一般的制造程是什么?1839、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?1841、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?1942、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?2046、能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺?2048、白光LED是通过哪些方法来实现的?2149当前制造白光LED的主流方法是什么?2250白光LED当前具有代表性的产品的水平如何?2251什么是色温?什么是显色指数?2252照明领域对白光LED的光电性能有哪些基本要求?2354LED光
4、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?2355白光LED的光谱与单色光(红、黄、蓝、紫等)的光谱有些什么区别?2556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?2659什么是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?2660、LED PN结有源层发出的光子能否100%逸出到空气中?2762、能否简述一下提高LED芯片电一光转换效率的意义何在?2863、衡量LED器件光电转换优劣的参数主要有哪些?2964、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?3065、什么是人眼对光的视觉函
5、数?3166、人眼对光的视觉函数这一特点对我们了解LED有什么作用?3267、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?3268、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?3370、请问LED光通量与发光强度即光强是否能相互转换?3471、LED的发光强度Iv与照度E之间如何进行换算?3472、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?3573、为什么LED PN结上温度升高
6、会引起它的光电参数退化?3675、衡量LED长期使用性能退化的主要指标是什么?3676、什么是LED的结温,它是如何产生的?3777、简述结温对LED光输出的影响3879当结温上升时,LED的发光波长与颜色如何变化?3980简述什么是热阻?它的定义和单位是什么?4081LED PN结上最高结温的含义是什么?4082试述LED器件的热阻模型,它由哪些部分构成?各有什么特点?4183为什么说提高光效可降低结温,试述提高光效的主要途径4284试述热阻在功率LED光源应用中的作用4385、如何减小LED的热阻值4486请简单介绍一下目前常用的热阻测试方法:4587何谓功率型LED,请介绍一下它的发展概
7、况:4690LED工作时,较好的驱动方法是什么方法?4791.有哪些常用的恒流驱动LED的方法?请作简单介绍。4893如何实现LED的调光、调色?请举一简单例子说明。5094、LED的“寿命”是什么样一种概念?什么是“浴盆”曲线?5295、LED失效的判据是什么?失效率又如何?5498、是否可以通过试验来剔除早期失效的LED?5499、什么是静电破坏?哪些类型的LED容易受静电破坏导致失效?55101、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?56102、LED要进入照明领域还存在哪些问题,还要做哪些工作?571、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
8、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波长范围nmmcmM长波振荡105无线电波1105微波10-1102红外线0.77103
9、可见光380770紫外线10390X射线10-350 r射线10-510-1宇宙射线10-5*lm=102cm=106m=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
10、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、L
11、ED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
12、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=h=h?c/=1.24 (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。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
13、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-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
14、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,而G
15、aN基器件更使发光波长短扩至绿、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
16、源的技术指标(表5-1)光源种类光效(lm/w)显色指数(Ra)色温(K)平均寿命(G)白炽灯1510028001000卤钨灯2510030002000-5000普通荧光灯7070全系列10000三基色荧光灯9380-98全系列12000紧奏型荧光灯6085全系列8000高压汞灯50453300-43006000金属卤灯物灯75-9565-923000/4500/56006000-20000高压钠灯100-12023/60/851950/2200/250024000低压钠灯20085175028000高频无极灯50-70853000-400040000-80000固体白灯20755000-10
17、0001000006、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
18、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
19、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380nm760nm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P处有所展开,其波长半宽度通常为1030nm,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
20、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=d/d (6-1)式中的单位为流明,Iv的单位即是cd,d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30120mcd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
21、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
22、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
23、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
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