LED发光原理与芯片制造.ppt
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1、LED的發光原理與芯片製造,報告者:,LED的发展,特别是芯片的发展 LED芯片的结构与发光原理 LED芯片的制造过程 LED的封装与应用 未来的展望,报告的主要内容:,发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时,n区电子获得能量越过PN结的禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量。,发光二极管的发展,LED的发展,芯片的发展,可见光LED的发展史,发光效率高,节省能源 耗电量为同等亮度白炽灯的 10%-20%,荧光灯的1/2。 绿色环保 冷光源,不易破碎,没有电磁干扰,产生废物少 寿命长 寿命可达10万小时 固体光源、体积小、重量轻
2、、方向性好 单个单元尺寸只有35mm 响应速度快,并可以耐各种恶劣条件 低电压、小电流,LED的优点,發光二極體產業結構,相關廠商,Substrate LPE VPE MOVPE,單晶材料-GaAs, GaP 磊晶片-GaAs, AlGaAs, GaAsP, AlGaInP 製造設備-LPE, VPE, MOVPE,日本: Nichia, Toyota Gosei(丰田合成) 美国: Lumileds, Cree 欧洲: Osram 台湾:晶元,元砷,廣鎵,華上 大陆: 三安,聯創,路明,上游材料,Diffusion Photolithography Metallization Dicing,
3、*發光二極體晶粒 *光二極體晶粒 *光電晶體晶粒,中游製程,晶 粒,Die-Mount Wire-Bond Encap Final Test,下游封裝,LED Lamp SMD LED Chip LED IRLED Back Light Light Source,Cluster Lamp Clock Display Dot Matrix 7-Segment Numeric Display Photocoupler,產 品,光寶 億光 興華 今台 佰鴻 先益 光鼎 李洲 立基 琭旦 华郎 伊莱 三永 茂纶 ,日本: Nichia, Toyota Gosei 美国: Lumileds, Cree
4、欧洲: Osram 台湾:晶元,光磊,元砷,廣鎵,華上,燦圓, 大陆: 三安,聯創,路明,能源问题已成为当今人类社会的热门话题,节约能源与环保问 题日趋提上议程。节能应成为各国的城市照明建设需要考虑的重 要问题之一,目前约有21%的电源用于照明,如果能在固体照明 领域节省一半的能源,则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。 20世纪中叶出现在市场上的第一批LED产品,经过50多年的发 展历程,在技术上已经取得了长足的进步。现在,LED的平均发 光效率已达到了70lm/W(流明/瓦特),其光强已达到了烛光级, 辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩,并且寿命可达到数 万小时。特别是在最近几年,LED
5、的产品质量提高了近10倍,而 制造成本已下降到早期的十分之一。这种趋势还在进一步的发展 之中,从而使LED成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产 品。世界各个国家均积极参与研发工作。,光子与电子基本上具有三种交互方式:吸收,自发放射及激发放射。 原子的两能级E1和E2,E1代表基态,E2代表第一激发态。 在E1基态的原子吸收光子后跃迁至激发态E2,此能态的改变为吸收; 激发态原子非常不稳定,经过很短的时间,不需任何外力下会跳回基态而释放 出光子,此程序为自发放射; 当光子照射在激发态原子上,该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释 放光子,此程序称为激发放射。,LED芯片的发光原理,LED
6、在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区,相交界面形成PN结。 LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。 LED是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的,是自发辐射发光, 发射的是非相干光。,理论和实践证明,光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽 度g有关, 即1240/Eg(mm) 式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光780nm 红光),半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。 现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。,LED PN结的电性质,发光材料,由图可知,这些材料的发光范围由红光到紫外线。
7、 照明领域使用的LED有两大类,一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金(AlGaInP或 AlInGaP),可以做成红色、橙色和黄色的LED;另一类是氮化铟和氮化镓的合金 (InGaN),可以做成绿色、蓝色和白色的LED。发光材料大部分是-族。,-族及-族元素的带隙与晶格常数的关系,图(a)是直接带隙材料,包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等 图(b)是间接带隙材料,包括Si、Ge、AlAs及AlSb等 目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。,(a)直接带隙,(b)间接带隙,Blue,Green,Yellow,Orange,White,Red,Amber,W = Wh
8、ite (GaN) (x=0.32/y=0.31),B = Blue (InGaN) 470nm,V= Verde-Green (InGaN) 505nm,T= True Green (InGaN) 525nm,P = Pure Green (GaP) 560nm,G = Green (GaP:N) 570nm,Y = Yellow (InGaAlP) 587nm,O = Orange (InGaAlP) 605nm,A = Amber (InGaAlP) 615nm,S = Super-Red (InGaAlP) 630nm,H = Hyper-Red (GaAlAs) 645nm,s,0,
9、0,1,0,2,0,3,0,4,0,5,0,6,0,7,0,8,0,9,0,0,1,0,2,0,3,0,4,0,5,0,6,0,7,0,8,blue,green,red,yellow,white,B = Blue (GaN) 466nm,W = White (InGaN) (x=0.32/y=0.31),Colour triangle,CIE色度图,芯片的结构与发光效率,芯片的内部结构: 采用量子阱活性层就可以增加发光效率 用光子循环的方法增加内部量子效率 电流扩散层:降低串联电阻,使加于LED上的电流扩散开 电流局限层 :使电流流不到在电接触区下的量子阱区,防止只在电极附近发光。 透明衬低或
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