日期：2024-05-21
LED 的內(nèi)部工作原理，顯示電路(頂部)和能帶圖(底部)PN 結(jié)可以將吸收的光能轉(zhuǎn)換成成比例的電流。此處的過(guò)程相反(即，當(dāng)施加電能時(shí)，PN 結(jié)會(huì)發(fā)光)。這種現(xiàn)象通常稱為電致發(fā)光，可以定義為半導(dǎo)體在電場(chǎng)的影響下發(fā)射光。當(dāng)電子從 N 區(qū)穿過(guò)并與 P 區(qū)中存在的空穴重新結(jié)合時(shí)，電荷載流子在正向偏置 PN 結(jié)中重新結(jié)合。自由電子位于能級(jí)的導(dǎo)帶中，而空穴位于價(jià)能帶中。因此，空穴的能級(jí)將小于電子的能級(jí)。為了使電子和空穴重新結(jié)合，必須耗散一部分能量。這種能量以熱和光的形式發(fā)射。
大功率紅外led一、反向偏置
對(duì)于硅和鍺二極管，電子以熱的形式耗散能量，但在磷化砷化鎵 (GaAsP) 和磷化鎵 (GaP) 半導(dǎo)體中，電子通過(guò)發(fā)射光子來(lái)耗散能量。如果半導(dǎo)體是半透明的，結(jié)點(diǎn)在發(fā)射時(shí)就成為光源，從而成為發(fā)光二極管，但是當(dāng)結(jié)點(diǎn)反向偏置時(shí)，LED不會(huì)產(chǎn)生光，相反，器件可能會(huì)發(fā)光。也會(huì)被損壞。技術(shù)：二極管的 IV 圖。當(dāng)施加超過(guò) 2 伏或 3 伏的電壓時(shí)，LED 將開(kāi)始發(fā)光。物理：LED 由摻雜雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料芯片組成，形成 pn 結(jié)。與其他二極管一樣，電流很容易從 p 側(cè)(即陽(yáng)極)流向 n 側(cè)(即陰極)，但不能反向流動(dòng)。電荷載流子(電子和空穴)從具有不同電壓的電極流入結(jié)。當(dāng)電子遇到空穴時(shí)，它會(huì)落入較低的能級(jí)并以光子的形式釋放能量。
大功率紅外led二、紅光器件
發(fā)射光的波長(zhǎng)及其顏色取決于形成 pn 結(jié)的材料的帶隙能量。在硅或鍺二極管中，電子和空穴通常通過(guò)非輻射躍遷重新結(jié)合，不會(huì)產(chǎn)生光發(fā)射，因?yàn)檫@些是間接帶隙材料。用于 LED 的材料具有直接帶隙，其能量對(duì)應(yīng)于近紅外光、可見(jiàn)光或近紫外光。LED 的開(kāi)發(fā)始于用砷化鎵制成的紅外和紅光器件。材料科學(xué)的進(jìn)步使得制造波長(zhǎng)越來(lái)越短、發(fā)出各種顏色的光的設(shè)備成為可能。LED 通常構(gòu)建在 n 型基板上，電極附著在沉積在其表面的 p 型層上。 P 型基板雖然不太常見(jiàn)，但也會(huì)出現(xiàn)。許多商用LED，尤其是GaN/InGaN，也使用藍(lán)寶石襯底。大多數(shù)用于 LED 生產(chǎn)的材料都具有非常高的折射率。這意味著大部分光將在材料/空氣表面界面處反射回材料中。因此，LED 中的光提取是 LED 生產(chǎn)的一個(gè)重要方面，需要進(jìn)行大量的研究和開(kāi)發(fā)。
大功率紅外led三、折射率
半導(dǎo)體中光發(fā)射錐的理想示例，用于單點(diǎn)源發(fā)射區(qū)域。左圖是完全半透明的晶圓，右圖顯示了底層完全不透明時(shí)形成的半錐體。實(shí)際上，光從點(diǎn)源向各個(gè)方向均勻地發(fā)射，因此錐體之間的區(qū)域顯示出大量被捕獲的光能，這些光能被浪費(fèi)為熱量。真實(shí) LED 晶圓的光發(fā)射錐體比單個(gè)點(diǎn)源光發(fā)射復(fù)雜得多。發(fā)光區(qū)域通常是晶片之間的二維平面。該平面上的每個(gè)原子都有一組單獨(dú)的發(fā)射錐。繪制數(shù)十億個(gè)重疊的錐體是不可能的，因此這是一個(gè)簡(jiǎn)化的圖，顯示了所有發(fā)射錐體組合的范圍。較大的側(cè)錐被剪掉以顯示內(nèi)部特征并降低圖像復(fù)雜性;它們將延伸到二維發(fā)射平面的相對(duì)邊緣。
大功率紅外led四、折射率
裸露的未涂覆半導(dǎo)體(例如硅)相對(duì)于露天表現(xiàn)出非常高的折射率，這阻止了由于全內(nèi)反射而導(dǎo)致相對(duì)于半導(dǎo)體的空氣接觸表面以銳角到達(dá)的光子通過(guò)。該特性既影響 LED 的發(fā)光效率，也影響光伏電池的光吸收效率。硅的折射率為 3.96(在 590 nm 處)，而空氣的折射率為 1.0002926。一般而言，平坦表面的未涂覆 LED 半導(dǎo)體芯片將僅以垂直于半導(dǎo)體表面且與側(cè)面成幾度的錐體形狀(稱為光錐、光錐或逃逸錐)發(fā)射光。最大入射角稱為臨界角。當(dāng)超過(guò)這個(gè)角度時(shí)，光子不再逃離半導(dǎo)體，而是在半導(dǎo)體晶體內(nèi)部反射，就像它是一面鏡子一樣。如果入射角足夠低并且晶體足夠透明而不會(huì)重新吸收光子發(fā)射，則內(nèi)反射可以通過(guò)其他晶體面逸出。但對(duì)于所有側(cè)面都有 90 度角表面的簡(jiǎn)單方形 LED，這些面都充當(dāng)?shù)冉晴R子。在這種情況下，大部分光無(wú)法逸出，并以廢熱形式散失在晶體中。
大功率紅外led五、垂直于芯片
具有與寶石或菲涅爾透鏡相似的傾斜面的回旋芯片表面可以通過(guò)允許光垂直于芯片表面發(fā)射，同時(shí)遠(yuǎn)離光子發(fā)射點(diǎn)的側(cè)面來(lái)增加光輸出。具有最大光輸出的半導(dǎo)體的理想形狀是微球，光子發(fā)射發(fā)生在精確的中心，電極穿透到中心以在發(fā)射點(diǎn)處接觸。從中心發(fā)出的所有光線將垂直于球體的整個(gè)表面，從而不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部反射。半球形半導(dǎo)體也可以使用，其平坦的背面可充當(dāng)背散射光子的鏡子。
大功率紅外led六、效率和操作參數(shù)
典型的指示燈 LED 設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)的電力不超過(guò) 30-60 毫瓦 (mW)。 1999 年左右，Philips Lumileds 推出了能夠以 1 瓦連續(xù)使用的大功率 LED。這些 LED 使用更大的半導(dǎo)體芯片尺寸來(lái)處理大功率輸入。此外，半導(dǎo)體管芯安裝在金屬塊上，以便從 LED 管芯排出熱量。LED 照明光源的主要優(yōu)勢(shì)之一是高發(fā)光效率。白光 LED 的功效迅速趕上并超越了標(biāo)準(zhǔn)白熾照明系統(tǒng)。 2002 年，Lumileds 推出了 5 瓦 LED，發(fā)光效率為 18-22 流明每瓦 (lm/W)。相比之下，60-100 瓦的傳統(tǒng)白熾燈泡的發(fā)光量約為 15 lm/W，標(biāo)準(zhǔn)熒光燈的發(fā)光量高達(dá) 100 lm/W。
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