电子元件-发光二极管

摘要：发光二极管简称为LED（Light Emitting Diode）。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。

LED

工作原理

发光二极管与普通二极管一样是由一个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区注入到N区的空穴和由N区注入到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，产生自发辐射的荧光。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，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。

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PN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。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。

以下是传统发光二极管所使用的无极半导体物料和所它们发光的颜色

LED材料	材料化学式	颜色
铝砷化镓 砷化镓 砷化镓磷化物磷化铟镓 铝磷化镓（掺杂氧化锌）	AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO	红色及红外线
铝磷化镓 铟氮化镓/氮化镓 磷化镓 磷化铟镓铝 铝磷化镓	InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP	绿色
磷化铝铟 镓砷化镓 磷化物 磷化铟镓铝 磷化镓	GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP	高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色
磷砷化镓	GaAsP	红色，橘红色，黄色
磷化镓 硒化锌 铟氮化镓 碳化硅	GaP ZnSe InGaN SiC	红色，黄色，绿色
氮化镓	GaN	绿色，翠绿色，蓝色
铟氮化镓	InGaN	近紫外线，蓝绿色，蓝色
碳化硅(用作衬底)	SiC	蓝色
硅(用作衬底)	Si	蓝色
蓝宝石(用作衬底)	Al2O3	蓝色
硒化锌	ZnSe	蓝色
钻石	C	紫外线
氮化铝,氮化铝镓	AlN AlGaN	波长为远至近的紫外线

相关参数

LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。

发光效率和光通量

发光效率就是光通量与电功率之比，单位一般为lm/W。发光效率代表了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。

发光强度和光强分布

LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场管的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。

波长

对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。

主要分类

发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。

LED的控制模式有恒流和恒压两种，有多种调光方式，比如模拟调光和PWM调光，大多数的LED都采用的是恒流控制，这样可以保持LED电流的稳定，不易受VF的变化，可以延长LED灯具的使用寿命。

普通单色发光二极管

普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为650～700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630～650nm ，橙色发光二极管的波长一般为610～630nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555～570nm。

高亮度单色发光二极管

高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。

变色发光二极管

变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。

闪烁发光二极管

闪烁发光二极管（BTS）是一种由CMOS集成电路和发光二极管组成的特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示。闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压（5V）即可闪烁发光。

红外发光二极管

红外发光二极管也称红外线发射二极管，它是可以将电能直接转换成红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发射电路中。红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。常用的红外发光二极管有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等。

紫外发光二极管

紫外发光二极管一般指发光中心波长在400nm以下的LED，但有时将发光波长大于380nm时称为近紫外LED，而短于300nm时称为深紫外LED。因短波长光线的杀菌效果高，因此紫外LED常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途。

有机发光二极管

1987年，柯达公司邓青云等成功制备了低电压、高亮度的有机发光二极管（OLED），第一次向世界展示了OLED在商业上的应用前景。1995年，Kido在science杂志上发表了白光有机发光二极管（wOLED）的文章， 虽然效率不高，但揭开了OLED照明研究的序幕。经过几十年的发展，目前OLED的效率和稳定性早已满足小尺寸显示器的要求，受到众多高端仪器仪表、手机和移动终端公司的青睐，大尺寸技术也日渐完善。

OLED材料的发展是OLED产业蓬勃发展的基础。最早的OLED发光材料是荧光材料，但荧光材料由于自旋阻禁，其理论内量子效率上限仅能达到25%。1998年，Ma以及Forrest和Thompson等先后报道了磷光材料在OLED材料中的应用，从而为突破自旋统计规律、100%地利用所有激子的能量开辟了道路。但是磷光材料也存在一定的问题，由于含有贵金属，价格很高而且蓝光材料的稳定性长期停滞不前。

2009年，日本九州大学的Adachi教授首次将热活化延迟荧光（TADF）材料引入OLED。此类材料具有极低的单三线态能隙，可通过三线态激子的反向系间窜越（RISC）实现100%的理论内量子效率。材料体系和器件结构的日渐完善，使得OLED在显示领域崭露头角。另一方面，WOLED具有发光效率高、光谱可调、蓝光成分少和面光源等一系列优 势，作为低色温、无蓝害的高效光源，有望成为未来健康照明的新趋势。

钙钛矿发光二极管

传统无机LED技术相对成熟且发光效率高，在照明领域应用广泛，但外延生长等制备工艺限制了其难用于大面积和柔性器件制备。有机或量子点LED具有易于大面积成膜、可柔性化等优势，但是高亮度下的低效率和短寿命问题还亟待解决。金属卤化物钙钛矿型材料兼具无机和有机材料的诸多优点”。如可溶液法大面积制备、带隙可调、载流子迁移率高、荧光效率高等。因此，基于钙钛矿材料的LED相较于传统发光二极管具有诸多优势，尤其是可低成本、大面积制备高亮度、高效率发光器件，对显示与照明均具有重要意义。

钙钛矿发光二极管发展迅速，自2014年剑桥大学报道首篇外量子效率（EQE）为0.76%的三维钙钛矿发光器 件以来，经过短短五年的发展，近红外、红光和绿光钙钛矿发光器件的外量子效率均已突破20%。值得一提的是我国科学家在钙钛矿发光领域里的多个方向开创了全新的研究方法。

2015年，南京工业大学与浙江大学团队合作报道了外量子效率为3.5%的钙钛矿发光二极管，为当时的最高纪录，也是国内在此领域的首篇论文。随后，北京理工大学和南京理工大学相继报道了基于量子点的钙钛矿LED。2016年，南京工业大学采用具有多量子陷结构的钙钛矿实现了外量子效率突破10%的近红外钙钛矿LED， 相关成果于2016年发表于《Nature Photonics》。采用类似方法，中国科学院半导体研究所将绿光钙钛矿LED的外量子效率提高到14.36%。2018年，南京工业大学首次将近红外钙钛矿LED外量子效率提升至20.7%，性能媲美已产 业化的有机和量子LED。同年，华侨大学”州将绿光钙钛矿LED的EQE提升至20.3%。

这两项国内成果被《Nature》 邀请的领域专家评述为“突破性成果”， “是钙钛矿材料在发光二极管中应用的里程碑式跨越”， “使钙钛矿LED技术突破性能障碍，将推动钙钛矿LED的产业化发展”。总体来说，目前我国在钙钛矿LED研究方面处于世界领先地位，特别是在高亮度、高稳定性钙钛矿发光器件方面，已经取得具有自主知识产权。有世界影响力的创新成果。

尽管钙钛矿LED的研究已经取得了很大的进展，但其发展仍然面临着诸多挑战。首先，钙钛矿LED的稳定性问题需要解决。目前通过材料设计、器件结构及界面优化等方法已大大提升了钙钛矿LED的稳定性，但尚未达到产业化的要求。其次，钙钛矿材料中铅元素的毒性可能是其产业化道路上的一个障碍。研究发现许多元素（如锡、铜、 锗及银等）在钙钛矿材料中可以替代铅元素，但目前利用这些元素制备的器件性能还不及铅基钙钛矿LED。此外， 大面积模块化制备钙钛矿LED仍处于萌芽期，如何发展制备工艺来进行可控大面积生产还需要解决。

总之，钙钛矿发光材料与器件具有诱人的发展前景， 未来随着对材料理解的深入及工艺技术的进步，有望进一 步提高器件的效率和稳定性，推进其产业化进程。在不远的将来，钙钛矿LED将会以其优异的性能和低廉的成本成为新一代显示与照明的有力竞争者，在未来照明与显示产业中占有重要地位。

生产

材料

LED五大原物料分别是指：晶片，支架，银胶，金线，环氧树脂。

晶片

晶片的构成：由金垫，P极，N极，PN结，背金层构成（双pad晶片无背金层）。晶片是由P层半导体元素，N层半导体元素靠电子移动而重新排列组合成的PN结合体。也正是这种变化使晶片能够处于一个相对稳定的状态。在晶片被一定的电压施加正向电极时，正向P区的空穴则会源源不断的游向N区，N区的电子则会相对于孔穴向P区运动。在电子，空穴相对移动的同时，电子空穴互相结对，激发出光子，产生光能。

主要分类，表面发光型： 光线大部分从晶片表面发出。五面发光型： 表面，侧面都有较多的光线射出按发光颜色分，红，橙，黄，黄绿，纯绿，标准绿，蓝绿， 蓝。

支架

支架的结构1层是铁，2层镀铜（导电性好，散热快），3层镀镍（防氧化），4层镀银（反光性好，易焊线）

银胶（因种类较多，我们以H20E为例）

也叫白胶，乳白色，导通粘合作用（烘烤温度为：100°C/1.5H）银粉（导电，散热，固定晶片）+环氧树脂（固化银粉）+稀释剂（易于搅拌）。储藏条件：银胶的制造商一般将银胶以-40 °C 储藏，应用单位一般将银胶以-5 °C 储藏。单剂为25 °C/1年（干燥，通风的地方），混合剂25 °C/72小时（但在上线作业时因其他的因素“温湿度、通风的条件”，为保证产品的质量一般的混合剂使用时间为4小时）

烘烤条件：150 °C/1.5H

搅拌条件：顺一个方向均匀搅拌15分钟

金线（以φ1.0mil为例）

LED所用到的金线有φ1.0mil、 φ1.2mil，金线的材质，LED用金线的材质一般含金量为99.9%，金线的用途

利用其含金量高材质较软、易变形且导电性好、散热性好的特性，让晶片与支架间形成一闭合电路。（换算关系：1 mil = 0.0254mm , 1 in = 25.4mm ）

环氧树脂（以EP400为例）

组成：A、B两组剂份:

A胶：是主剂，由环氧树脂+消泡剂+耐热剂+稀释剂

B剂：是固化剂，由酸酣+离模剂+促进剂

使用条件：

混合比：A/B=100/100（重量比）

混合粘度：500-700CPS/30 °C

胶化时间：120 °C*12分钟或110 °C*18分钟

可使用条件：室温25 °C约6小时。一般根据产线的生产需要，我们将它的使用条件定为2小时。

硬化条件：初期硬化110 °C—140 °C 25—40分钟

后期硬化100 °C*6—10小时（可以视实际需要做机动性调整）

工艺

芯片检验

镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑lockhill芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整。

LED扩片

由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。

LED点胶

在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。

工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，提醒：银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。

LED备胶

和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。

LED手工刺片

将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。

LED自动装架

自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是蓝、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。

LED烧结

烧结的目的是使银胶固话，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170℃，1小时。绝缘胶一般150℃，1小时。

银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途，防止污染。

LED压焊

压焊的目的是将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。

LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。铝丝压焊的过程为先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。

压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状，拉力。

LED封胶

LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架。（一般的LED无法通过气密性试验）。

LED点胶 TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高（特别是白光LED），主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。

LED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，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型。

LED模压封装 将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。

LED固化与后固化

固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟。后固化是为了让环氧充分固化，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℃，4小时。

LED切筋和划片

由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp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。

LED测试

测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。

应用

20世纪90年代LED技术的长足进步,不仅是发光效率超过了白炽灯，光强达到了烛光级，而且颜色也从红色到蓝色覆盖了整个可见光谱范围。这种从指示灯水平到超过通用光源水平的技术革命导致各种新的应用，诸如汽车信号灯、交通信号灯、室外全色大型显示屏以及特殊的照明光源。

随着发光二极管高亮度化和多色化的进展,应用领域也不断扩展.从下边较低光通量的指示灯到显示屏，再从室外显示屏到中等光通量功率信号灯和特殊照明的白光光源，最后发展到右上角的高光通量通用照明光源。2000年是时间的分界线，在2000年已解决所有颜色的信号显示问题和灯饰问题，并已开始低、中光通量的特殊照明应用，而作为通用照明的高光通量白光照明应用，似乎还有待时日，需将光通量进一步大幅度提高方能实现。当然，这也是个过程，会随亮度提高和价格下降而逐步实现。

LED显示屏

自20世纪80年代中期，就有单色和多色显示屏问世，起初是文字屏或动画屏。90年代初，电子计算机技术和集成电路技术的发展，使得LED显示屏的视频技术得以实现，电视图像直接上屏，特别是90年代中期，蓝色和绿色超高亮度LED研制成功并迅速投产，使室外屏的应用大大扩展，面积在100—300m不等。

目前LED显示屏在体育场馆、广场、会场甚至街道、商场都已广泛应用，美国时代广场上的纳斯达克全彩屏最为闻名，该屏面积为120英尺×90英尺，相当于1005m，由1900万只超高亮蓝、绿、红色LED制成。此外，在证券行情屏、银行汇率屏、利率屏等方面应用也占较大比例，近期在高速公路、高架道路的信息屏方面也有较大的发展。发光二极管在这一领域的应用已成规模，形成新兴产业，且可期望有较稳定的增长。

交通信号灯

航标灯采用LED作光源已有多年，目前的工作是改进和完善。道路交通信号灯近几年来取得了长足的进步，技术发展较快，应用发展迅猛，我国目前每年有四万套左右的订单，而美国加州在去年一年内就用LED交通信号灯更换了五万套传统光源的信号灯，根据使用效果看，寿命长、省电和免维护效果是明显的。目前采用LED的发光峰值波长是红色630nm，黄色590nm，绿色505nm。应该注意的问题是驱动电流不应过大，否则夏天阳光下的高温条件将会影响LED的寿命。

最近，应用于飞机场作为标灯、投光灯和全向灯的LED机场专用信号灯也已获成功并投入使用，多方反映效果很好。它具有自主知识产权，获准两项专利，可靠性好、节省用电、免维护、可推广应用到各种机场、替代已沿用几十年的旧信号灯，不仅亮度高，而且由于LED光色纯度好，特别鲜明，易于信号识别。

汽车用灯

超高亮LED可以做成汽车的刹车灯、尾灯和方向灯，也可用于仪表照明和车内照明，它在耐震动、省电及长寿命方面比白炽灯有明显的优势。用作刹车灯，它的响应时间为60ns，比白炽灯的140ms要短许多，在典型的高速公路上行驶，会增加4—6m的安全距离。

液晶屏背光源

LED作为液晶显示的背光源，它不仅可作为绿色、红色、蓝色、白色，还可以作为变色背光源，已有许多产品进入生产及应用阶段。最近，手机上液晶显示屏用LED制作背光源，提升了产品的档次，效果很好。采用8个蓝色、24个绿色、32个红色LuxeonLED制成的15英寸（1英寸≈2.5厘米）液晶屏的背光源，可达到120W，2500 lm，亮度18000nits（尼特，cd/m²）。22液晶屏背光源也已制成，仅为6mm厚，不但混色效果好，显色指数也达到80以上。目前大型背光源虽处于开发阶段，但潜力很大。

灯饰

由于发光二极管亮度的提高和价格的下降，再加上长寿命、节电，驱动和控制较霓虹灯简易，不仅能闪烁，还能变色，所以用超高亮度LED做成的单色、多色乃至变色的发光柱配以其他形状的各色发光单元，装饰高大建筑物、桥梁、街道及广场等景观工程效果很好，呈现一派色彩缤纷、星光闪烁及流光异彩的景象。已有不少单位生产LED光柱达万米以上，彩灯几万个，目前正逐步推广，估计会逐步扩大单独形成一种产业。

照明光源

作为照明光源的LED光源应是白光，目前作为军用的白光LED照明灯具，已有一些品种投入批量生产。由于LED光源无红外辐射，便于隐蔽，再加上它还具有耐振动、适合于蓄电池供电、结构固体化及携带方便等优点，将在特殊照明光源方面会有较大发展。作为民间使用的草坪灯、埋地灯已有规模生产，也有用作显微镜视场照明、手电、外科医生的头灯、博物馆或画展的照明以及阅读台灯。

温室补光

光是植物生长和发育最重要的环境因素之一， 对植物的生长发育、形态建成、光合作用、物质代谢及基因表达均有调控作用，因此温室补光是实现植物优质高产的重要途径。近年来，发光二极管在植物工厂中的应用越来越广泛，LED光源的波宽窄、能耗低、体积小、效率高、耐衰老、热耗低的优点，使其成为了众多光质研究人员使用的新光源。至今为止，大量应用LED光源研究光环境对植物宏观的形态、产量、品质的影响，以及对细胞显微结构、植物分化、次生代谢物质的影响的研究层出不穷。

参考链接

https://baike.baidu.com/item/%E5%8F%91%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1/1521336?fromtitle=LED&fromid=956234&fr=aladdin
http://tv.zol.com.cn/706/7066236.html