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LED发光的原理

  • 发布日期:2007-01-31 浏览次数580
      发光二极管是一种将电流顺向通到半导体p-n结处而发光的器件,通常采用双异质结和量子阱结构。1962年GE(General Electric)公司用GaAsP首次将红色led商品化。最初的红色led的光通量为0.1lm/W,约是普通灯光的1/150,其发光效率大约每10年提高一个数量级。最近,蓝色、绿色LED已实用化,其发光强度超过AlGaAs类红色LED。这种LED采用氮化物半导体(InGaN混晶)作活性(发光)层的量子阱结构,其发光强度超过10cd,量子效率超过20%。此外,还开发了外部量子效率超过50%的AIInGaP红色LED(630nm)和琥珀--LED(595nm)。InGaN绿色、蓝色LED的量子效率也接近上述值。
  坎德拉(cd)是发光强度的单位,用以表示可见光led发光强度的指标。发光强度I可用光通量Φ和立体角Ω表示。I=dΦ/dΩ[cd]Φ=Km∫V(λ)Pλdλ[lm]其中,Km为在波长555nm范围内的最大可见度(683nm),绿色对人眼是最亮的。V(λ)是在波长为λ时的相对可见度[V(555nm)=1],Pλ为光谱辐射通量。
  白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。在蓝色led芯片上涂敷荧光体,最后用环氧树脂将芯片周围密封。两种方式(单芯片型和多芯片型)可得到色调效果好(Ra 85)的白光。一是同时点亮红色、绿色、蓝色(R.G.B)或蓝绿色和黄橙色2、3种LED;二是用辐射蓝色或紫外LED作激励光源激励荧光体的方式。第一种方式不仅在LED的驱动电压或发光输出上有缺陷,而且在温度特性或器件寿命上也存在问题,因此距实用化还有一段距离。第二种方式则用一个器件即可,驱动电路,易于设计。有两种激励方式:即(1)用蓝色LED激励发黄光的荧光体。(2)用紫外LED激励R.G.B荧光体。激励荧光体的白色led照明光源因荧光体组拿来不同可发射白光以外的各种颜色的光,因而可广泛应用于照明。如前所述,每一个LED的光通量(lm)很弱,要作为照明光源必须配置多个LED。而开发led照明用光源,则必须对包括多个LED集成器件光分布在内的装置系统进行优化设计,经外,研究人员还必须参加半导体发光器件和照明光源的开发及技术交流。预计今后将有各种型号的白色LED问世。然而,现在单芯片型InGaN蓝色LED和YAG荧光体组成的白色LED仅外于产品化阶段。美国ledtronics公司、Gentex公司正致力于用蓝绿色LED和琥珀色LED开发多芯片型led光源的研究,但难以实现一样的混色,故很难达到实用化。用R.G.B三基色LED开发了白色LED,现实验室水平的发光效率已超过40lm/W,近几年内可望超过100lm/W。
  作为荧光体激励光源的多量子阱(MQW)LED的外部量子效率已提高了20%其温和色调优异。受YAG荧光体寿命影响的白色LED的寿命已超过数万小时。用具有上述优异特性的炮弹型LED在玻璃状环氧基板上以大约7mm间隔串联41个LED,并将17列并联,一共用697个。白色LED装置使用商用电源AC100V,60Hz及全波整流后的稳压电源(电容输入型整流电流)。为减少LED器件的耗电量,整流后电源的波形变动量大峰值电压为143V,最小电压为126V。在此状态下,各LED上施加电压最大约为3.49V,最小约为3.07V时,电流值最大约为17mA,最小为3mA,耗电约为20W。图1为用41个LED组成的照明器具。图2表示了AC100V,120Hz驱动时的发光光谱,该光谱与直流顺向发光光谱特性相一致。用灯座插入方式,距发光面30cm处的光照度约为1200lx,耗电约为1W。无论哪种光源都无需装配冷却装置。
 

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