日期：2024-05-21
LED 的內部工作原理，顯示電路(頂部)和能帶圖(底部)PN 結可以將吸收的光能轉換成成比例的電流。此處的過程相反(即，當施加電能時，PN 結會發光)。這種現象通常稱為電致發光，可以定義為半導體在電場的影響下發射光。當電子從 N 區穿過并與 P 區中存在的空穴重新結合時，電荷載流子在正向偏置 PN 結中重新結合。自由電子位于能級的導帶中，而空穴位于價能帶中。因此，空穴的能級將小于電子的能級。為了使電子和空穴重新結合，必須耗散一部分能量。這種能量以熱和光的形式發射。
大功率紅外led一、反向偏置
對于硅和鍺二極管，電子以熱的形式耗散能量，但在磷化砷化鎵 (GaAsP) 和磷化鎵 (GaP) 半導體中，電子通過發射光子來耗散能量。如果半導體是半透明的，結點在發射時就成為光源，從而成為發光二極管，但是當結點反向偏置時，LED不會產生光，相反，器件可能會發光。也會被損壞。技術：二極管的 IV 圖。當施加超過 2 伏或 3 伏的電壓時，LED 將開始發光。物理：LED 由摻雜雜質的半導體材料芯片組成，形成 pn 結。與其他二極管一樣，電流很容易從 p 側(即陽極)流向 n 側(即陰極)，但不能反向流動。電荷載流子(電子和空穴)從具有不同電壓的電極流入結。當電子遇到空穴時，它會落入較低的能級并以光子的形式釋放能量。
大功率紅外led二、紅光器件
發射光的波長及其顏色取決于形成 pn 結的材料的帶隙能量。在硅或鍺二極管中，電子和空穴通常通過非輻射躍遷重新結合，不會產生光發射，因為這些是間接帶隙材料。用于 LED 的材料具有直接帶隙，其能量對應于近紅外光、可見光或近紫外光。LED 的開發始于用砷化鎵制成的紅外和紅光器件。材料科學的進步使得制造波長越來越短、發出各種顏色的光的設備成為可能。LED 通常構建在 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，但也會出現。許多商用LED，尤其是GaN/InGaN，也使用藍寶石襯底。大多數用于 LED 生產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 生產的一個重要方面，需要進行大量的研究和開發。
大功率紅外led三、折射率
半導體中光發射錐的理想示例，用于單點源發射區域。左圖是完全半透明的晶圓，右圖顯示了底層完全不透明時形成的半錐體。實際上，光從點源向各個方向均勻地發射，因此錐體之間的區域顯示出大量被捕獲的光能，這些光能被浪費為熱量。真實 LED 晶圓的光發射錐體比單個點源光發射復雜得多。發光區域通常是晶片之間的二維平面。該平面上的每個原子都有一組單獨的發射錐。繪制數十億個重疊的錐體是不可能的，因此這是一個簡化的圖，顯示了所有發射錐體組合的范圍。較大的側錐被剪掉以顯示內部特征并降低圖像復雜性;它們將延伸到二維發射平面的相對邊緣。
大功率紅外led四、折射率
裸露的未涂覆半導體(例如硅)相對于露天表現出非常高的折射率，這阻止了由于全內反射而導致相對于半導體的空氣接觸表面以銳角到達的光子通過。該特性既影響 LED 的發光效率，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 半導體芯片將僅以垂直于半導體表面且與側面成幾度的錐體形狀(稱為光錐、光錐或逃逸錐)發射光。最大入射角稱為臨界角。當超過這個角度時，光子不再逃離半導體，而是在半導體晶體內部反射，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重新吸收光子發射，則內反射可以通過其他晶體面逸出。但對于所有側面都有 90 度角表面的簡單方形 LED，這些面都充當等角鏡子。在這種情況下，大部分光無法逸出，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允許光垂直于芯片表面發射，同時遠離光子發射點的側面來增加光輸出。具有最大光輸出的半導體的理想形狀是微球，光子發射發生在精確的中心，電極穿透到中心以在發射點處接觸。從中心發出的所有光線將垂直于球體的整個表面，從而不會產生內部反射。半球形半導體也可以使用，其平坦的背面可充當背散射光子的鏡子。
大功率紅外led六、效率和操作參數
典型的指示燈 LED 設計運行時的電力不超過 30-60 毫瓦 (mW)。 1999 年左右，Philips Lumileds 推出了能夠以 1 瓦連續使用的大功率 LED。這些 LED 使用更大的半導體芯片尺寸來處理大功率輸入。此外，半導體管芯安裝在金屬塊上，以便從 LED 管芯排出熱量。LED 照明光源的主要優勢之一是高發光效率。白光 LED 的功效迅速趕上并超越了標準白熾照明系統。 2002 年，Lumileds 推出了 5 瓦 LED，發光效率為 18-22 流明每瓦 (lm/W)。相比之下，60-100 瓦的傳統白熾燈泡的發光量約為 15 lm/W，標準熒光燈的發光量高達 100 lm/W。
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