LED芯片原理與基礎(chǔ)知識(shí)大全

一、LED簡史

半導(dǎo)體材料能產(chǎn)生光的基礎(chǔ)知識(shí)早在50年以前就已被人們所認(rèn)識(shí),1962年通用電氣公司尼克?何倫亞克（NickHolonyakJr.）研制成功了第一個(gè)在實(shí)際中使用的可見光發(fā)光二極管。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的英文縮寫，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，將其放置在帶有引線的貨架中，再在其周圍采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封閉，也就是固體進(jìn)行封裝，因此可以對(duì)內(nèi)部芯線進(jìn)行防護(hù)，從而使得LED具有良好的抗震性能。

最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國本來是采用長壽命、低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

二、LED芯片原理

LED(Light Emitting Diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但是當(dāng)兩個(gè)半導(dǎo)體連接在一起時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生“P-N結(jié)”。電流經(jīng)過導(dǎo)線作用到該晶片時(shí)，將電子推到P區(qū),P區(qū)中電子跟隨空穴一起復(fù)合，再以光子方式發(fā)射能量，即LED發(fā)光原理。而光線波長亦即光線顏色則由構(gòu)成P-N結(jié)物質(zhì)所決定。

LED芯片發(fā)光原理

led芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

三、LED芯片的分類

1、MB芯片定義與特點(diǎn)
定義：Metal Bonding(金屬粘著)芯片;該芯片屬于UEC的專利產(chǎn)品。

特點(diǎn)：(1)采用高散熱系數(shù)的材料---Si作為襯底，散熱容易。Thermal Conductivity;GaAs：46W/m-K;GaP：77W/m-K;Si：125～150W/m-K;Cupper:300~400W/m-k;SiC：490W/m-K(2)通過金屬層來接合(wafer bonding)磊晶層和襯底，同時(shí)反射光子，避免襯底的吸收。(3)導(dǎo)電的Si襯底取代GaAs襯底，具備良好的熱傳導(dǎo)能力(導(dǎo)熱系數(shù)相差3~4倍)，更適應(yīng)于高驅(qū)動(dòng)電流領(lǐng)域。(4)底部金屬反射層，有利于光度的提升及散熱。(5)尺寸可加大，應(yīng)用于High power領(lǐng)域，eg:42mil MB。

2、GB芯片定義和特點(diǎn)
定義：Glue Bonding(粘著結(jié)合)芯片;該芯片屬于UEC的專利產(chǎn)品。

特點(diǎn)：(1)透明的藍(lán)寶石襯底取代吸光的GaAs襯底，其出光功率是傳統(tǒng)AS(Absorbable structure)芯片的2倍以上，藍(lán)寶石襯底類似TS芯片的GaP襯底。(2)芯片四面發(fā)光，具有出色的Pattern圖。(3)亮度方面，其整體亮度已超過TS芯片的水平(8.6mil)。(4)雙電極結(jié)構(gòu)，其耐高電流方面要稍差于TS單電極芯片。

3、TS芯片定義和特點(diǎn)

定義：transparent structure(透明襯底)芯片，該芯片屬于HP的專利產(chǎn)品。

特點(diǎn)：(1)芯片工藝制作復(fù)雜，遠(yuǎn)高于AS LED。(2)信賴性卓越。(3)透明的GaP襯底，不吸收光，亮度高。(4)應(yīng)用廣泛。

4、AS芯片定義與特點(diǎn)
定義：Absorbable structure（吸收襯底）芯片；通過近四十年來的發(fā)展和努力，臺(tái)灣LED光電業(yè)界對(duì)這類芯片的開發(fā)，生產(chǎn)和銷售正處在一個(gè)成熟階段，各大企業(yè)在這方面的研發(fā)水平也基本上是相同的，相差并不大。

大陸芯片制造業(yè)起步晚，亮度和可靠度和臺(tái)灣業(yè)界相比仍有一定距離，本文中AS芯片專指UEC中AS芯片、eg:712SOL-VR、709SOL-VR和712SYM-VR和709SYM-VR。

特點(diǎn)：(1)四元芯片，采用MOVPE工藝制備，亮度相對(duì)于常規(guī)芯片要亮。(2)信賴性優(yōu)良。(3)應(yīng)用廣泛。

四、LED芯片材料磊晶種類

1.LPE：Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法) GaP/GaP

2.VPE：Vapor Phase Epitaxy(氣相磊晶法) GaAsP/GaAs

3.MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (有機(jī)金屬氣相磊晶法) AlGaInP、GaN

4.SH：GaAlAs/GaAs Single Heterostructure(單異型結(jié)構(gòu))GaAlAs/GaAs

5.DH：GaAlAs/GaAs Double Heterostructure(雙異型結(jié)構(gòu)) GaAlAs/GaAs

6.DDH：GaAlAs/GaAlAs Double Heterostructure(雙異型結(jié)構(gòu)) GaAlAs/GaAlAs

五、LED芯片組成及發(fā)光

1.LED晶片的組成：

主要有砷(AS)鋁(AL)鎵(Ga)銦(IN)磷(P)氮(N)鍶(Si)這幾種元素中的若干種組成。

2.LED晶片的分類：

（1）按發(fā)光亮度分：

A、一般亮度：R、H、G、Y、E等

B、高亮度：VG、VY、SR等

C、超高亮度：UG、UY、UR、UYS、URF、UE等

D、不可見光(紅外線)：R、SIR、VIR、HIR

E、紅外線接收管：PT

F、光電管：PD

（2）按組成元素分：

A、二元晶片(磷、鎵)：H、G等

B、三元晶片(磷、鎵、砷)：SR、HR、UR等

C、四元晶片(磷、鋁、鎵、銦)：SRF、HRF、URF、VY、HY、UY、UYS、UE、HE、UG