认知实习心得_认知实习心得报告

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认知实习心得

此次寒假中，我们进行了为期一周的认知实习，初步了解了LED灯的基本发光原理和其特点及相关技术。尤其是在蜃景光电公司的参观经历，让我惊叹于LED灯阵列的美轮美奂，这使我对LED技术产生了浓厚的兴趣。作为这一周认知实习的反思，我作了以下一些小结。

所谓的LED是一种注入电致发光器件，俗名发光二极管。由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能，即量子效应，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。人类最早于20世纪60年代初应用半导体P-N结发光原理制成LED光源，当时所用的材料是GaAsP，发红光（λ=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/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λ=555nm），黄光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λ=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。

常见的发光二极管有阴、阳极杆及它们延长部分的引线架，杆的部分被封装在透明环氧树脂球内，封装容器内还有锲型支架和LED芯片

基本原理

发光二极管的工作原理

LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。LED分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比正面发光型LED高。

由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在同质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做结型电致发光（又称注入式电致发光）。概据这种发光现象制成的发光器件称为结型电致发光显示器件。

用P-N结电致发光原理制成的发光二极管是在60年代末得到迅速发展的。LED是注入式电致发光显示器件的典型。

开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V；GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs大致是1.5V；发红光的GP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V。反向击穿电压一般在-5V以上。

LCD显示屏也叫液晶显示器，它是由不同部分组成的分层结构。主要由两块玻璃基板作骨架，其间均匀布满液晶材料，液晶层中的液滴都分布在细小的单元格结构中，上下两块玻璃基板上粘贴了相互垂直的两块偏振膜。LCD显示器的优点是：清晰度高、轻便、省电、便于携带、不易受干扰。缺点是：响应时间较长、有观看角度的限制。

LED 具有发光效率高、节能、无污染、寿命长等优点,它将在家庭照明、隧道照明、车灯照明、路灯照明、医用无影灯照明、煤矿灯照明、交通灯、LED显示屏等照明及显示领域得到广泛的应用。预计美国到2010年55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代, 2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场。日本到2007年 30%的白炽灯被置换为半导体照明灯。

自发辐射情况下由于存在非辐射复全以及隧道电流在低电流密度下，m=1.3~1.5；在高

电流密度下，扩散电流起支配作用，m≈1。

LED光源的特点

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，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

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，并且适合于易变的环境

稳定性：10万小时，光衰为初始的50%

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

对环境污染：无有害金属汞

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，实现红黄绿兰橙多色发光。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

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，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。

显示技术:

单色光LED组合显示

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。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。

另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。

大功率白光LED作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。由于目前LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约，因此决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明，中长期目标才是通用照明。本文介绍了大功率白光LED在油田、石化、铁路、矿山、部队等特殊行业的特种工作灯具中的应用。

１、发光效率高

LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。

白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效

经改良后将达到达100～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加

紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

２、节能省电

LED单管功率1瓦，采用直流驱动，单管驱动电压2.8～3.5伏，电流

350毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量

是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一；研究资料表明，在美国

如果55%的白炽灯和日光灯被LED所取代，每年可节省350亿美元电费，减少近8亿吨二氧化碳的排放量；在日本，如采用LED照明替代日本一半的白炽灯和荧光灯照明，每年可节约相当于60亿升原油的能源；在我国

如果用LED替代50%的传统照明，每年大约可节省1000亿度电，即相当

于一个三峡电站年发电量的总和。总之，采用led照明其节能效益是十分可观的。

３、寿命长

采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光

衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封

装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命

达10万小时。LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大

降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

４、安全可靠

直流低压驱动，化合物电致发光，无红外辐射，冷光源，可以安全触摸；环氧树脂固态封装体，不易

破碎，能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩

光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质；

５、绿色环保

LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，无污染，整个生产过程中不含汞、钠

元素等可能危害健康的物质。光源体积小，可以随意

组合，易开发小型照明产品，也便于安装和维护。

LED照明技术

LED 是一种注入电致发光器件，由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能，即量子效应，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。目前，高亮度白光LED 在实验室中已经达到100lm/W 的水平，50lm/W 的大功率白光LED 也已进入商业化

1、GaN 外延用衬底材料

利用第三代半导体GaN-LED实现通用白光照明已经被认为是全球实现固态照明的主要技术方案。而GaN不同衬底材料需要不同的外延片的生长技术、不同的芯片加工技术、不同的器件封装技术。可以说, 衬底材料是实现半导体照明产业技术发展的基础, 决定了半导体照明技术发展的路线。GaN用衬底材料目前能商业化生产的主要有三种, 即蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)和硅(Si)衬底。Al2O3 衬底材料由于化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟而普遍用于小电流工作的器件, 但是Al2O3 的导热性差, 使其在功率型器件大电流工作下的缺点十分突出, 以Al2O3衬底材料制作的GaN 功率型LED 器件首先要解决器件散热问题;SiC 衬底是目前市场占有率较高的衬底材料之一, SiC 衬底与Al2O3 衬底相比, 突出的优点是具有良好的导电性能和导热性能, 在GaN功率型器件的芯片制造和封装不需要采用倒装焊即可解决散热问题。SiC 衬底不足方面也很明显, 如价格高缺乏竞争优势、晶体质量与Al2O3 和Si 相比有差距等;GaN 用Si 衬底材料是最有发展前景的材料,这取决于Si 片的众多优点, 如: 晶体质量高、尺寸大、价格低、易加工、良好的导电性能和导热性能和热稳定性, Si 衬底的主要缺点是与GaN 外延层存在晶格失配和热失配, 而且Si 衬底吸收可见光, 芯片取光效率低。国内外研究成果表明, 合适的外延生长技术可以在Si 衬底生长出晶格质量和光电特性与SiC 衬底与Al2O3 衬底媲美的GaN型LED ,一旦技术取得突破,外延片生长成本和器件加工成本将大幅度减少。

2、外延片生长技术

就全球LED产业而言, GaN 基材料的外延生长是发展高亮度LED和固态半导体白光照明的核心技术。目前, GaN 基光电子材料与器件的外延片生长主要采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)的方法和多量子阱结构增大芯片面积, 增大工作电流,以提高芯片整体功率。该技术1968 年由美国洛克威尔公司提出, 在一块加热至适当温度的衬底材料上，将气态物质In、Ga、Al、P 有控制的输入到衬底材料表面, 生长出50多层的外延片, 要求每一层的外延片晶体结构和衬底晶体结构一致或相近。MOCVD装备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体, 是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备, MOCVD 装备目前就国内的技术水平实现国产化有一定的难度, 国内GaN-LED 外延片生产厂家的MOCVD 全依赖进口, 且不是国外一流设备, 只能生产中低端产品。从原材料上来看, 有机金属化学气相沉积生产工艺要求进入的In、Ga、Al、P等原材料有非常高的纯度, 比如99.9999 % , 国内生产的原材料很多还达不到这个要求。就生长过程而言, 相关的参数有上千个, 调试这些参数需要大量时间和资金的投入, 日美等发达国家经过长时间的技术积累, 可以在上千参数变化中进行优选, 而在国内的生长过程往往是做了一部分参数变化就开始。从LED 整个产业价值链来看, 外延片的生长要占到70 %的价值, 外延片的技术水平决定了整个LED 产业水平。我国在外延片生产技术这个环节上,不管是原材料、装备、生产经验, 还是外延片生长技术的人才方面与美日一流水平的差距是全方位的。高质量的外延片将是发展我国功率型LED 产业的主要制约环节。良好的LED外延片应具备以下特性：禁带宽度合适、制得电导率高的p型和n型材料、获得完整性好的优质晶体、要求发光复合几率大。

3、LED的pn结电极制作

任何半导体器件最终都要通过电极引线和外部电路相连，金属-半导体界面的性质对整个器件的性能有很大影响，金属-半导体界面接触部分的电流-电压呈线性关系，相当于一个阻值很小的电阻（也称为欧姆接触电阻）。

由于界面没有势垒，接触部分的电压降与器件内部的电压降相比可以忽略，如果欧姆接触电阻太大，那么将使LED器件的正向工作电压增大，注入效率降低，并且器件发热、亮度下降、寿命缩短。所以LED芯片的pn结电极的质量直接影响LED器件的质量。

Pn结电极的制作工艺一般采用光刻、真空电子束蒸发、湿法腐蚀和剥离等方法，当前普遍采用的p型接触电极是镍/铜，可以使电极具有良好的透光性和电学性能。在LED芯片的制作工艺中，为了尽量减小电极之间的相互影响，需要对n型电极进行合金。然而在n型电极的合金过程中也会对p型接触电极产生影响，所以电极管芯在氮气中进行合金时能使p型接触电极的性能维持不变是很重要的。

电极位置的不同对LED的电流-电压特性也会产生影响，因此在选择芯片将其封装成LED时，要注意芯片两极的位置，应尽量做到在同一批芯片中，避免有不同的电极结构，继而防止在不同的电流下工作时出现不同的电流-功率特性，结果造成LED的性能不一致。

相对于V型接触电极在大电流下情况的工作效果，L型接触电极的芯片的电流-功率特性较好，这种芯片在封装时只需要焊接一根线，因此其抗静电能力好、光输出效率高。

4、散热技术:

固态照明器件的发光效率和可靠性依赖于成功的热管理。对于一个40lm/W 的白光LED 来说，只有15 %的能量转化为可见光，其余的85 %全部转化为热。热流增加的原因包括芯片外延技术的进步，新的封装设计以及更高的驱动电流。温升效应对LED性能产生严重的影响：总体效率变低，正向压降，光波红移，色温改变，寿命缩短，可靠性降低。因此散热、热应力和成本成为影响LED 性能、光转化效率和应用的主要封装问题。

大功率LED 的热管理对其长期的可靠性起着关键的作用，必须采用新的封装技术，寻找导热性能优良的封装材料，在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。显然，减小LED 温升效应的主要方法有两条途径，一是设法提高器件的电光转换效率；另一个是设法提高器件的热散失能力。笔者介绍了新型散热封装材料的研究现状，指出了它们的具体应用实例。

对于单个LED 而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2℃，可靠性将下降10%[2]。为了保证器件的寿命,一般要求pn 结的结温在110 ℃以下。随着pn结的温升，白光LED 器件的发光波长将发生红移。据统计资料表明，在100 ℃的温度下，波长可以红移4～9 nm，从而导致YAG 荧光粉吸收率下降,总的发光强度会减少,白光色度变差。在室温附近，温度每升高1℃，LED 的发光强度会相应减少1%左右，当器件从环境温度上升到120℃时，亮度下降多达35%。当多个LED 密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已成为功率型LED 应用的先决条件。

5、电路驱动技术:

LED驱动器是一种特殊的电源，它的负载就是LED。LED驱动方式有恒压驱动及恒流驱动，大功率LED一般采用恒流驱动方式。这是因为大功率LED的工作电流大（几百mA到几A）。从LED的特性曲线上可看出，当工作电流较大时，其曲线较陡（如图7所示），若电压有一些变化，会造成电流较大的变化，另外，恒压电流供电时需要限流电阻，在电流较大时，限流电阻的损耗也较大。

以上是我对本次认知实习的一些心得，通过这一周的认知实习，使我近距离接触到了LED，对其有了初步的、理论上的认识，知道了LED的基本制作原理、工作原理。与此同时，这次是我第一次走进公司，让我开了眼界。最重要的是经过这次实习，我开始对LED技术产生了浓厚的兴趣，这使原本对前途迷茫的我有了一定的方向，我想我会在这次实习后确定目标、努力学习，争取掌握更多的LED相关技术的知识，以备将来之用。