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led的发光机理

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IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.21,NO.1,JANUARY1,200933

EfficientAlternatingCurrentOperatedWhite

Light-EmittingDiodeChip

GrigoryA.Onushkin,Young-JinLee,Jung-JaYang,Hyung-KunKim,Joong-KonSon,Gil-HanPark,andYongJoPark

Abstract—Thestructureofasinglelight-emittingdiode(LED)chipforoperationunderhighvoltagealternatingcurrent(ac)con-ditionswasproposed.ThechipwasdesignedandfabricatedasanintegratedcircuitwithseveralisolatedLEDstructuresgrownonasingleinsulatedsapphiresubstrate.TheefficientblueLEDchipforoperationdirectlyfrom220-Vacpowersourcehasbeendesigned,fabricated,andanalyzed.ThewhiteacoperatedLED(ACOLED)chipdemonstratesavalueofaveragedluminousflux320lmandluminousefficiency80lm/Wunderoperationfrom220-Vacsourcewith4Wofpowerconsumption.TheladdertypeofcircuitandtheefficientACOLEDchipconfigurationresultsinproficientopera-tionunderacconditions.

IndexTerms—Arrays,galliumcompounds,integratedcircuitdesign,light-emittingdiodes(LEDs),sapphire,semiconductordevicefabrication.

I.INTRODUCTION

DURINGrecentyears,semiconductorblueInGaN-based

light-emittingdiodes(LEDs)becameveryattractive

asefficientlightsourcesformobile,automotive,andgeneral

lightingapplications.Thebestachievedluminousefficiency

134lm/Wwasreportedfora11mmwhitepowerLED

structure[1]under1-Wdirectcurrent(dc)operatingcon-

ditions.Ingenerallightingapplications,acompactac/dc

convertershouldbeusedinonelightingfixturetosupply

dccurrenttoLEDchips.Limitedlifetime,lowpowerfactor

correction[2]PFC,andlimitedconversionefficiency(around80%)ofcompactac/dcconverterscanremarkably

reduceadvantagesofanLED-basedlightingmodule.Another

promisingsolutionforsolidstatelightingapplicationsisanac

operatedLED(ACOLED)chip,whichcanbefabricatedasa

singlechiponaninsulatingwaferandcanoperatedirectlyfrom

ahighvoltageacsourcewithoutanac/dcconverter.Inthis

case,theefficiencyandlifetimearelimitedonlybyACOLED

chipperformance.

TwokindsofconfigurationsofACOLEDchipsorarrayshave

beenreported[3]–[6].Therearethesimplecircuit[5],[6]with

twooppositeLEDlinesandtheWheatstonebridgetypecircuit

ManuscriptreceivedJune25,2008;revisedSeptember17,2008.Firstpub-lishedOctober31,2008;currentversionpublishedJanuary05,2009.TheauthorsarewiththeOpticalSystemLab,CorporateR&DInstitute,SamsungElectro-Mechanics,Suwon,Kyengi-Do,Gyunggi-Do443-743,RepublicofKorea(e-mail:grigory.onushkin@samsung.com;yjok.lee@samsung.com;jungja.yang@samsung.com;hyungkun.kim@samsung.com;jk11.son@samsung.com;gil.park@samsung.com;yongjo.park@samsung.com).Colorversionsofoneormoreofthefiguresinthisletterareavailableonlineathttp://ieeexplore.ieee.org.DigitalObjectIdentifier

10.1109/LPT.2008.2008204Fig.1.LadderelectricalcircuitofintegratedACOLEDchip(a)foroperationfroma220-Vacpowersourcewithbalanceresistor.Dashedandsolidlineswitharrowsshowacurrentpaththroughladdercircuitatpositiveandnegativepolarityofacsourcevoltage,respectively.(b)Timedependencesofcurrentandvoltagesforacsource,ACOLEDchip,and1-kOhmbalanceresistorat220-Vac60-Hz4-Woperationcondition.

[3],[4]withLEDsconnectedinseriesatbranchsides.Itiswell

knownthathighcurrentdensities,andhighjunctiontempera-

turesaremajorlimitingfactorsforefficientandreliableLED

operationunderhighpowerconditions.So,theoptimizationof

integratedACOLEDchipconfigurationforefficientoperation

requiresminimizingthetotalnumberofsingleLEDmesasand

increasingtheiractivearea.

Inthiswork,wedesigned,fabricated,andanalyzedasingle

whiteACOLEDchip,whichhavealaddertypeofelectrical

circuit[Fig.1(a)].Thisstructure,asfarasabridgetypeof

ACOLEDconfiguration,had24%–28%lesssinglemesaLEDs

thanthesimpleconfiguration[5],[6],whichresultsinprofi-

cientopticalperformance[3],[4].But,incontrasttothebridge

configurations[3],[4],theladdercircuitresultsinequivalent

distributionofreversebiasamongLEDs,whichisessentialfor

reliablelong-timeoperation.Themaintargetofourworkwas

theoptimizationofACOLEDchipdesignforefficientandre-

liableoperationunder220-Vacconditionswith4Wofpower

consumption.

1041-1135/$25.00©2009IEEE34IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.21,NO.1,JANUARY1,2009

Fig.2.Variationoflightemissiondistributionfor4.224.2mmblueACOLEDchipunder(a)positiveand(b)negativebias.

II.EXPERIMENT

AnewconfigurationforACOLEDchipwasproposed.Ithas

aladderstructureofanelectricalcircuit[7][Fig.1(a)].This

circuitconsistedofladderelementsmarkedbydottedrectan-

glesinFig.1(a).Eachladderelementconsistedofone“cen-

tralLED”(verticalLEDsinFig.1(a),ortiltedLEDsinFig.2)

andtwo“sideLEDs”(horizontalLEDsinFig.1(a),orsquare

shapedLEDsinFig.2).Theladderelementsareconnectedto

eachother,asshowninFig.1(a).The“centralLEDs”emitthe

lighttwiceataperiodandeach“sideLED”emitsonceape-

riodatpositive[Fig.2(a)]ornegative[Fig.2(b)]polarityofac

voltageonACOLEDchipterminals.Theladdercircuitcanhave

24%–28%lesssinglemesaLEDsincomparisonwithsimple

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LED发光原理

LED发光原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，也即固体封装,所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

LED灯及其发光原理

LED灯及其发光原理

LED灯及其发光原理

一、LED的结构及发光原理

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

LED结构图如下图所示

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LE导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 二、LED光源的特点

1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比电源，特别适用于公共场所。

2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%

5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级

6. 对环境污染：无有害金属汞

7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色

8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当由上300～500只二极管构成。

三、单色光LED的种类及其发展历史

最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是p=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（提高到1流明/瓦。

白色LED用荧光粉的制备与应用

白色LED用荧光粉的制备与应用

白色LED用荧光粉的制备与应用

LED照明是当下具有很高的实用性的照明光源，并且已经成为应用最为广泛的一种照明的光源。作为照明用的白色LED更是受到了很大的关注，获得白光LED共有三种：第一种是荧光粉涂敷光转换法，就是采用荧光粉将紫光或蓝光转换复合产生白光；第二种是多色LED组合法，由发射不同波长的绿色和红色等的单色的LED组合而发射复合的白光，第三种是多量子阱法，单一的LED材料中中进行掺杂。荧光粉材料的制备方法主要有高温制备和溶液法制备两类方法。本文主要综述了蓝光转换型荧光粉和近紫外转换型荧光粉的中的典型几种荧光粉材料，介绍了相关荧光粉的发展现状以及相关材料的优缺点

1.1 LED发光原理

LED主要是半导体化合物，例如砷化镓（GaAS），磷化镓（GaP），磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的，LED的核心是PN结。LED的发光机理是:热平衡的条件下,PN结中有很多迁移率很高的电子在N 区中, P 区则不同，在P区中有较多的迁移率较低的空穴, 由于PN 结势垒层的限制, 由于该PN结势垒层的限制，在正常状态下，不能穿过屏障复合发生;而当施加于PN结的正向电压，所施加的电场方向由于自建电场方向和所述势垒区与此相反，它减少了势垒高度，该势垒宽度较窄，破坏了PN结动态平衡发电少数载流子注入，而空穴注入从PN区面积，在同一地区的电子注入从N到P区，少数载流子注入，在多数载流子复合会保持多余的能量在光辐射从而形式的同一区域，直接将电能转换为光能。

自从1965年第一支发光二极管的产生，LED已经历经50年的发展历程，第一支发光二极管是利用半导体锗材料制作而成的]1[，第一支LED能够发射出红光；随后在1985年日本Nishizawa利用液相外延法制备出了使用异质结构的GaAlAs作为发光材料的LED]2[，从而使得LED的封装技术也得到了很大的提高；1993日亚化学公司，在蓝色 氮化镓LED的研究上取得了重大突破]3[，并且很快的实现了产业化的生产，在1996年实现了白光LED的发光二极管（white light

光注入与电注入下LED发光特性研究

光注入与电注入下LED发光特性研究

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 光注入与电注入下LED发光特性研究

学 生：吴飞 学 号：20073401 指导教师：文静 专 业：光电信息工程 重庆大学光电工程学院 二O一一年六月

Graduation Design(Thesis) of Chongqing University The studies on characteristics of luminescence under optical and electronic injection

Undergraduate: Wufei Supervisor: Prof. Wenjing Major: Optoelectronic Information Engineering College of Opto-Electronic Engineering of Chongqing University June 2011

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要

Ⅰ 摘 要 发光二极管（LED）的非接触测量手段就是光激励LED，那么非接触测量手段能否实现关键是光激励能否取代电激励。国内外的研究表明，在分别往AlInGaP红色LED里注入相同强度的电流和光强激励LED时，PL和EL有着极为相似的光谱，但是光谱随着注入强度的变化，存在着波峰红移情况，造成两种光谱图有差异。 随着研究的深入，发现影响这种差异的不是注入方式的影响，而是注入方式的不同给LED的p-n结温带来的不同影响，也就是说如果能控制p-n结的结温，相同注入强度下的PL和EL光谱会完全相同，研究表明光注入完全可以取代电注入，即：非接触测量手段是完全可能实现的。 本课题通过研究了LED的发光机理，以及影响LED发光的因素，通过比较光注入与电注入下LED发光特性的区别，得出了以下结论：光致发光和电致发光有着完全相同的发光原理，影响发光光谱的因素也完全相同，但是PL光谱和EL光谱存在着差异，这种差异不是注入方式的影响，而是源于注入方式的不同给LED结温带来的不同影响。 关键词：发光二极管（LED），p-n结结温，光致发光（PL），电致发光（EL），注入方式