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LED芯片相关知识大全


芯片相关知识
1, LED 芯片的制造流程是怎样的? LED 芯片制造主要是为了制造有效可靠的低欧姆接触电极,并能满足可接触材料之间最小的压降及提供焊 线的压垫,同时尽可能多地出光.

渡膜工艺一般用真空蒸镀方法,其主要在 1.33×10?4Pa 高真空下,用电阻加热或电子束轰击加热方法 使材料熔化,并在低气压下变成金属蒸气沉积在半导体材料表面.一般

所用的 P 型接触金属包括 AuBe, AuZn 等合金,N 面的接触金属常采用 AuGeNi 合金.镀膜后形成的合金层还需要通过光刻工艺将发光区 尽可能多地露出来,使留下来的合金层能满足有效可靠的低欧姆接触电极及焊线压垫的要求.光刻工序结 束后还要通过合金化过程,合金化通常是在 H2 或 N2 的保护下进行.合金化的时间和温度通常是根据半导 体材料特性与合金炉形式等因素决定.当然若是蓝绿等芯片电极工艺还要复杂,需增加钝化膜生长,等离 子刻蚀工艺等.

2, LED 芯片制造工序中,哪些工序对其光电性能有较重要的影响? 一般来说,LED 外延生产完成之后她的主要电性能已定型,芯片制造不对其产甞核本性改变,但在镀膜, 合金化过程中不恰当的条件会造成一些电参数的不良. 比如说合金化温度偏低或偏高都会造成欧姆接触不良, 欧姆接触不良是芯片制造中造成正向压降 VF 偏高的 主要原因. 在切割后,如果对芯片边缘进行一些腐蚀工艺,对改善芯片的反向漏电会有较好的帮助.这是因为用金刚 石砂轮刀片切割后,芯片边缘会残留较多的碎屑粉末,这些如果粘在 LED 芯片的 PN 结处就会造成漏电, 甚至会有击穿现象. 另外,如果芯片表面光刻胶剥离不干净,将会造成正面焊线难与虚焊等情况.如果是背面也会造成压降偏 高. 在芯片生产过程中通过表面粗化,划成倒梯形结构等办法可以提高光强.

3,LED 芯片为什么要分成诸如 8mil,9 mil,…,13∽22 mil,40 mil 等不同尺寸?尺寸大小对 LED 光电性能有哪些影响? LED 芯片大小根据功率可分为小功率芯片,中功率芯片和大功率芯片.根据客户要求可分为单管级,数码 级,点阵级以及装饰照明等类别.至于芯片的具体尺寸大小是根据不同芯片生产厂家的实际生产水平而定, 没有具体的要求.只要工艺过关,芯片小可提高单位产出并降低成本,光电性能并不会发生根本变化.芯 片的使用电流实际上与流过芯片的电流密度有关,芯片小使用电流小,芯片大使用电流大,它们的单位电 流密度基本差不多.如果 10mil 芯片的使用电流是 20mA 的话,那么 40mil 芯片理论上使用电流可提高 16 倍,即 320mA.但考虑到散热是大电流下的主要问题,所以它的发光效率比小电流低.另一方面,由 于面积增大,芯片的体电阻会降低,所以正向导通电压会有所下降.

4, LED 大功率芯片一般指多大面积的芯片?为什么? 用于白光的 LED 大功率芯片一般在市场上可以看到的都在 40mil 左右,所谓的大功率芯片的使用功率一 般是指电功率在 1W 以上.由于量子效率一般小于 20?大部分电能会转换成热能,所以大功率芯片的散热 很重要,要求芯片有较大的面积.

5, 制造 GaN 外延材料的芯片工艺和加工设备与 GaP,GaAs,InGaAlP 相比有哪些不同的 要求?为什么? 普通的 LED 红黄芯片和高亮四元红黄芯片的基板都采用 GaP ,GaAs 等化合物半导体材料,一般都可以 做成 N 型衬底.采用湿法工艺进行光刻,最后用金刚砂轮刀片切割成芯片.GaN 材料的蓝绿芯片是用的蓝 宝石衬底,由于蓝宝石衬底是绝缘的,所以不能作为 LED 的一个极,必须通过干法刻蚀的工艺在外延面上 同时制作 P/N 两个电极并且还要通过一些钝化工艺.由于蓝宝石很硬,用金刚砂轮刀片很难划成芯片.它 的工艺过程一般要比 GaP ,GaAs 材料的 LED 多而复杂.

6,"透明电极"芯片的结构与它的特点是什么? 所谓透明电极一是要能够导电,二是要能够透光.这种材料现在最广泛应用在液晶生产工艺中,其名称叫 氧化铟锡,英文缩写 ITO,但它不能作为焊垫使用.制作时先要在芯片表面做好欧姆电极,然后在表面覆 盖一层 ITO 再在 ITO 表面镀一层焊垫.这样从引线上下来的电流通过 ITO 层均匀分布到各个欧姆接触电 极上,同时 ITO 由于折射率处于空气与外延材料折射率之间,可提高出光角度,光通量也可增加.

7, 用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么? 随着半导体 LED 技术的发展,其在照明领域的应用也越来越多,特别是白光 LED 的出现,更是成为半导 体照明的热点.但是关键的芯片,封装技术还有待提高,在芯片方面要朝大功率,高光效和降低热阻方面 发展.提高功率意味着芯片的使用电流加大,最直接的办法是加大芯片尺寸,现在普遍出现的大功率芯片 都在 1mm×1mm 左右,使用电流在 350mA.由于使用电流的加大,散热问题成为突出问题,现在通过 芯片倒装的方法基本解决了这一文题.随着 LED 技术的发展,其在照明领域的应用会面临一个前所未有的 机遇和挑战.

8, 什么是"倒装芯片(Flip?Chip)"?它的结构如何?有哪些优点? 蓝光 LED 通常采用 Al2O3 衬底,Al2O3 衬底硬度很高,热导率和电导率低,如果采用正装结构,一方面会 带来防静电问题,另一方面,在大电流情况下散热也会成为最主要的问题.同时由于正面电极朝上,会遮 掉一部分光,发光效率会降低.大功率蓝光 LED 通过芯片倒装技术可以比传统的封装技术得到更多的有效 出光. 现在主流的倒装结构做法是:首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸蓝光 LED 芯片,同时制备出比蓝 光 LED 芯片略大的硅衬底,并在上面制作出供共晶焊接的金导电层及引出导线层(超声金丝球焊点).然 后,利用共晶焊接设备将大功率蓝光 LED 芯片与硅衬底焊接在一起.这种结构的特点是外延层直接与硅衬 底接触,硅衬底的热阻又远远低于蓝宝石衬底,所以散热的问题很好地解决了.由于倒装后蓝宝石衬底朝 上,成为出光面,蓝宝石是透明的,因此出光问题也得到解决.

LED 基础知识
1,LED 的基本特征是什么?何为 LED 的伏安特性?LED 的电功率是如何计算的? LED 是一个由无机材料构成的单极性 PN 结二极管,它是半导体 PN 结二极管中的一种,因此其电压?电流 之间的相互作用关系,一般称为伏特和安培特性(简称 V?I 特性). 当 LED 上施加了规定的电压 Vf 和电流 If 后,可以用下式求出 LED 上的电功率 Pe: Pe=Vf×If 2,何为 LED 的电?光转换?如何表述电光转换效率? 当在 LED 的 PN 结两端加上正向偏置时,PN 两端就有电流流过.此时,在 PN 结中,受激发的电子从 N 型层向 PN 结(过渡层)移动,而 P 型层中受激发的空穴也会向 PN 结移动,电子与空穴在结中复合,产 生载流子.由于这是一种从高能级向低能级的跃迁,复合载流子会产生光子,形成发光,这就是人们称之 为的电?光转换. 通常,将这种电能到光能的转换,用百分比来表示它的转换效率.假设施加到 LED 上的电功率为 Pe= Vf×If,此时 LED 产生的光的功率 PLight 为,则用下式定义它的电?光转换效率: ηeL=(Plight/Pe)×100% 当 ηeL<100%时,说明有相当部分复合载流子并没有产生光子而损耗,成为 PN 中的热能.LED 电?光转 换效率越高,PN 结上因加置电功率后引起的热量越低,而目前 LED 的电光转换效率并不是很高,因此仍 遇到 LED 的 PN 发热和由这一热量引起的种种问题.

3,在通用照明领域,LED 取代传统光源从目前来看还须克服哪些障碍? ⑴发光效率障碍.目前白光 LED 的光效一般为 50lm/W,与荧光灯的效率相比还有一定差距,白光 LED 用于局部照明,节能效果有限.只有白光 LED 的发光效率高于荧光灯,达到 100lm/W,才会有明显的节 能效果. ⑵价格障碍.目前 LED 光源的价格每流明高于 0.1 美元,是白炽灯价格的 100 多倍. ⑶功率 LED 制作技术.其基本关键技术包括: ①提高外研片内量子效率. ②提高大尺寸芯片的外量子效率. ③提高封装的取光效率. ⑷荧光粉的制作和涂敷技术.荧光粉是 LED 实现白光照明的关键材料,效率高,显色性好,性能稳定的荧 光粉能提高白光 LED 的出光率和产品质量.

4,什么是半导体? 根据物质的导电性,固态材料可分为绝缘体,半导体,导体.电导率介于 10-8?103S/cm(S:西门子 电 导的单位)之间或是电阻率介于 108?10-3*cm(:欧姆 电阻的单位)的固态材料称为半导体.半导 体分元素半导体 (如硅, 锗等) 和化合物半导体. 化合物半导体有二元化合物半导体 (如 SiC, AlP, GaS) , 三元化合物半导体(如 AlGaAs,GaInP),四元化合物半导体(如 AlGaInP,GaInAsP)等.能用作 LED 的半导体材料只有化合物半导体,元半导体不能用 LED 作的材料.

5,哪些产业是 LED 产业链的构成部分? LED 产业链大致可分为五部分:①原材料;②LED 上游产业,主要包括外延材料和芯片制造;③LED 中游 产业,主要包括各种 LED 器件的封装;④LED 下游产业,主要包括 LED 的应用产品;⑤测试仪器和生产 设备.

外延片相关知识
外延芯片部分 1,什么是外延和外延片? 外延也称为外延生长,是制备高纯微电子复合材料的一工艺过程,就是在单晶(或化合物)衬底材料上淀 积一层薄的单晶(或化合物)层.新淀积的这层称为外延层.淀积有外延层的衬底材料叫外延片.

2,哪些材料可以用作生长外延层的衬底材料,它们各自有哪些优缺点? 用得最广泛的衬底材料是砷化镓,可用于生长外延层 GaAs,GaP,GaAlAs,InGaAlP,其优点是由于 GaAs 的晶格常数比较匹配可制成无位错单晶,加工方便,价格较便宜.缺点是它是一种吸光材料,对 PN 结发的光吸收比较多,影响发光效率. 磷化镓可生长 GaP:ZnO,GaP:N,GaAs,GaAlAs:N 以及 InGaAlP 的顶层,其优点是它是透明材 料,可制成透明衬底提高出光效率. 生长 InGaN 和 InGaAlN 的衬底主要有蓝宝石(Al2O3),碳化硅和硅.蓝宝石衬底的优点是透明,有利 于提高发光效率,目前仍是 InGaN 外延生长的主要衬底.缺点是有较大的晶格失配;硬度高,造成加工 成本高昂;热导率较低,不利于器件的热耗散,对制造功率 LED 不利.碳化硅衬底有较小的晶格失配,硬 度低,易于加工,导热率较高,利于制作功率器件.

3,LED 的发光有源层??PN 结是如何制成的?哪些是常用来制造 LED 的半导体材料? LED 的实质性结构是半导体 PN 结.PN 结就是指在一单晶中,具有相邻的 P 区和 N 区的结构,它通常在 一种导电类型的晶体上以扩散,离子注入或生长的方法产生另一种导电类型的薄层来制得的. 常用来制造 LED 半导体材料主要有砷化镓,磷化镓,镓铝砷,磷砷化镓,铟镓氮,铟镓铝磷等Ⅲ?Ⅴ族化 合物半导体材料,其它还有Ⅳ族化合物半导体碳化硅,Ⅱ?Ⅵ族化合物硒化锌等.

4,MOCVD 是什么? MOCVD 是 Metel-Organic Chemical Vapor Deposition 的简称,即金属有机物化学气相淀积,它是外 延生长的一项技术,它是利用特制的设备,以金属有机物源(MO 源)作原料,用氢气或氮气作为载气, 通入液体中携带出蒸汽,与Ⅴ族的氢化物混合,再通入反应室,在加热的衬底表面发生反应,外延生长化 合物晶体薄膜.由于 MOCVD 的晶体生长反应是在热分解中进行的,所以又叫热分解法.经实用表明,这 是一种具有高可靠性,控制厚度精确,组成掺杂浓度精度高,垂直性好,灵活性大,非常适合于进行Ⅲ? Ⅴ族化合物半导体及其固溶体的外延生长的方法,也可应用于Ⅱ?Ⅵ族化合物等材料的生长,目前是生产

AlGaInP 红色和黄色 LED 和 InGaN 蓝色,绿色和白色 LED 的可工业化方法.现人们通常也把这种特制 的设备笼统地叫作 MOCVD.

5,什么是 MO 源? MO 源即 Metel Organic 源,金属有机物源,它是 MOCVD 外延生长的原材料.Ⅱ,Ⅲ族金属有机化合物 通常为甲基或乙基化合物,如 Ga(CH3)3,In(CH3)3,Al(CH3)3,Ga(CH3)3,Zn(CH3)3 等, 它们大多数是高蒸汽压的液体或固体.

MOCVD 外延生长的工艺流程是怎样的? 6,什么是 LED 的内量子效率? 当在 LED 的 PN 结上施加正向电压时,PN 结会有电流流过.电子和空穴在 PN 过渡层中复合会产生光子, 然而并不是每一对电子?空穴对复合都会产生光子,由于 LED 的 PN 结,作为杂质半导体,存在着材料品 质缺陷,位错等因素,以及工艺上的种种缺陷,会产生杂质电离,本征激发散射和晶格散射的问题,使电 子从激发态跃迁到基态时会与晶格原子或离子交换能量而发生无辐射跃迁,也就是不产生光子,这部分能 量不转换成光能而转换成热能损耗在 PN 结内,于是就有一个复合载流子转换成光子的转换效率问题存在, 可以用式 1 表示这一转换效率,并符号 ηint 表示. ηint=(复合载流子产生的光子数/复合载流子总数)×100? (1)

我们无法去计数式(1)中的复合载流子总数和产生的光子总数.一般是通过测量 LED 输出的光功率来评 价这一效率,这个效率 ηint 就称为内量子效率.

7,LED PN 结有源发出的光子能否 100?逸出到空气中? 8,有哪些生长 LED 有源层的外延方法?它们个自有什么特点? 有气相外延(VPE),液相外延(LPE),金属有机物化学气相淀积(MOCVD),分子束外延(MBE). 它们生长 LED 有源层的材料分别有气相外延 GaAsP,GaP,液相外延 GaP,GaAlAs,金属有机物化学气 相淀积 InGaAlP,IGanN,分子束外延 ZnSe 等. 气相外延比较简单便,往往在外延生长后要再通过用扩散的方法制作 PN 结,所以效率低.液相外延已能 一炉生长 60?100 片,生产效率较高,通过镓的重复使用成本已降的很低,可以制造高亮度 GaP 绿色发 光器件和一般亮度 GaP 红色发光器件,也可用它制造超高亮度 GaAlAs 发光器件.金属有机物化学气相淀 积法是目前生产超高亮度 InGaN 蓝,绿色 LED 和 InGaAlP 红,黄色 LED 的主要方法,它既能精确控制 厚度,又能精密控制外延层的组成.分子束外延目前主要用于研制白色发光二极管,效果很好,能生长小 于 10 埃的外延层,缺点是生长速度慢,每小时约 1 微米,装片容量也颇少,生产效率较低.

9,当前,生产超高亮 LED 的外延方法主要有几种? 当前,生产超高亮 LED 的外延方法主要有两种,即液相外延生产 AlGaAs LED 和金属有机物化学气相淀 积(MOCVD)生产 AlGaAs,AlGaInP,InGaN LED.其中尤以 MOCVD 方法为主.

10,当前,用作半导体照明光源的高效 LED 的外延层结构有何创新?

为了提高 LED 的发光效率,对其外延结构进行了许多改进,目前都已应用到产品上,对 LED 发光效率的 提高起到了极重要的作用.分别是:①单量子阱(SQW)结构;②多量子阱(MQW)结构;③分布布拉 格反射(DBR)结构;④透明衬底技术(TS);⑤镜面衬底法(MS);⑥透明胶质粘结型;⑦纹理表面 结构.

LED 应用篇
1,单个 LED 的流明效率与用 LED 作光源构成的灯具的流明效率有什么异同? 针对某一个特定的 LED,加上规定的正向偏置,例如加上 IF=20mA 正向电流后(对应的 VF≈3.4V), 测得的辐射光通量 Φ=1.2lm,则这个 LED 的流明效率为: η=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W 显然,对于单个 LED,如施加的电功率 Pe=VF×IF,那么在这个功率下测得的辐射光通量折算为每瓦的流 明值即为单个 LED 的流明效率. 但是,作为一个灯具,不论 LED PN 结上实际加上的功率 VF×IF 是多少,灯具的电功率总是灯具输入端口 送入的电功率,它包括了电源部分(如稳压器,稳流源,交流整流成直流电源部分等)所消耗的功率.灯 具中, 驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个 LED 的流明效率要下降. 电路损耗越大, 流明效率越低, 因此,寻找一种高效率的 LED 驱动电路就显得极为重要.

2,为什么一只蓝光 LED 在涂上特殊的荧光粉构成的白光 LED 后,其辐射光通量会比蓝光高出几倍甚至十 几倍? 从前面我们已经知道白光 LED 是用什么方法制造出来的,其中一种方法是在发蓝光的 LED 芯片上涂上一 层 YAG 荧光粉,部分蓝光光子激发 YAG 荧光粉,形成光?光转换,荧光粉被激发产生黄光光子,蓝色光 与黄色光混合变成白色光,成为白光 LED.这种通过光?光转换后不同波长的光的混合,会使它的波谱变 宽,白光 LED 一般具有比 LED 蓝光波谱宽得多的波谱.对于用蓝光芯片加 YAG 荧光粉制成的白光 LED, 与单色 LED 相比,人眼对它的视觉函数应当是各种波长成分视觉函数的积分平均值,此值可以通过计算得 到约为 296lm,即这种白光 LED,当发射出光功率 1W 的白光时,其辐射光通量约为 296lm,这个数值 比发射光功率 1W 的蓝色 LED 的辐射光通量 41 增大了 7.2 倍.

3,什么是 LED 的结温?它是如何产生的? LED 的基本结构是一个半导体的 PN 结.实验指出,当电流流过 LED 器件时,PN 结的温度将上升,严格 意义上说,就把 PN 结区的温度定义为 LED 的结温.通常由于器件芯片均具有很小的尺寸,因此我们也可 把 LED 芯片的温度视之为结温. 窗口层衬底或结区的材料以及导电的银胶等均存在一定的电阻值,这些电阻值相互垒加,构成 LED 的串联 电阻.当电流流过 PN 结时,同时也会流过这些电阻,从而也会产生焦尔热,引起芯片温度或结温升高; 由于 LED 芯片材料于周围介相比,具有大得多的折射系数,致使芯片内部产生的大部分光无法顺利地溢出

界面,而在芯片与介质界面产生全反射,返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收, 并以晶格振动的形式变成热,促使结温升高.

4,为什么 LED PN 结上温度升高会引起它的光电参数退化? PN 结作为杂质半导体在其工作过程中,同样存在杂质电离,本征激发,杂质散射和晶格散射等问题,从而 使复合栽流子转换成光子的数量和效能发生变化.当 PN 结的温度(例如环境温度)升高时,PN 结内部杂 质电离加快,本征激发加速.当本征激发产生的复合载流子的浓度远远超过杂质浓度时,本征载流子的数 量增大的影响较之迁移率减小的半导体电阻率变化的影响更为严重,导致内量子效率下降,温度升高又导 致电阻率下降,使同样 IF 下,VF 降低.如果不用恒流源驱动 LED,则 VF 降将促使 IF 指数式增加,这个过 程将使 LED PN 结上温升更加快,最终温升超过最大结温,导致 LED PN 结失效,这是一个正反馈的恶性 过程. PN 结上温度升高,使半导体 PN 结中处于激发态的电子?空穴复合时从高能级向低能级跃迁时发射出光子 的过程发生退化.这是由于 PN 结上温度升高时,半导体晶格的振幅增大,使振动的能量也发生增加,当 它超过一定值时,电子?空穴从激发态跃迁到基态时回与晶格原子(或离子)交换能量,于是成为无光子辐 射的跃迁,LED 的光学性能退化. 另外, 结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的晶格场使离子能级裂变, PN 能级分裂受 PN 结温度影响,这就意味着由于温度影响晶格振动,使其晶格场的对称性发生变化,从而引起能级分裂, 导致电子跃迁时产生的光谱发生变化,这就是 LED 发光波长随 PN 结温升而变化的原因. 综合上述,LEN PN 结上温升会引起它的电学,光学和热学性能的变化,过高的温升还会引起 LED 封装材 料(例如环氧,荧光粉等)物理性能的变化,严重时导致 LED 失效,所以降低 PN 结温升,是应用 LED 的重要关键所在.

5,为什么说提高光效可降低结温? 通常将单位输入电功率所产生的光能称之为光电转换效率简称光效.根据能量守恒定律,LED 的输入功率 最终将通过光与热两种形式释放出来,光效越高放出的热量越少,LED 芯片的温升就越小,这就是提高光 效可降低结温的基本原理.

6,如何实现 LED 的调光,调色? 由于 LED 的发光强度 IV(或光辐射通量)与它的工作电流 IF 在一定电流范围内呈县性关系,即随着电流 IF 增大,IV 也随之增大,因此,改变 LED 的 IF,就可以改变它的发光强度,实现调光. 由色度学原理可以知道,如果将红,绿,蓝三原色作混合,在适当的三原色亮度比的组合下,理论上可以 获得无数种色彩,这就可以用三种发光波长的 LED,只要具有例如:470nm(蓝色),525 nm(绿色) 和 620 nm(红色)的三种波长的 LED 通过点亮和 IF 控制,就可以实现色彩的调控,即调色.

7,什么是静电破坏?哪些类型的 LED 容易受静电破坏导致失效? 静电实际是由电荷累积构成.人们在日常生活中,特别是在干燥天气环境中,当用手去触摸门窗类物品时 会感觉"触电",这就是门窗类物品静电积累到一定程度时对人体的"放电".对于羊毛织品,尼龙化纤物品,

静电积累的电压可高达一万多伏特,电压十分高,但静电功率不大,不会威胁生命,然而对于某些电子器 件却可以致命,造成器件失效. LED 中用 GN 基构成的器件,由于是宽禁带半导体材料,它的电阻率较高,对于 InGaN/AlGaN/GaN 的 双异质结蓝色光 LED,其 InGaN 的有源层的厚度一般只有几十纳米,再由于这种 LED 的两个正,负电极 在芯片同一面上,之间距离很小,若两端的静电电荷累积到一定值时,这一静电电压会将 PN 击穿,使其 漏电增大,严重时 PN 结击穿短路,LED 失效. 正因为存在静电威胁,对于上述结构的 LED 芯片和器件在加工过程中对加工厂地,机器,工具,仪器,包 括员工服装均要采取防静电措施,确保不损伤 LED.另外,在芯片和器件的包装上也要采用防静电材料.

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