LED的發(fā)光原理
2010-06-11 13:50:15 來源： 瀏覽次數(shù)：0
LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。
50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，也即固體封裝,所以能起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。
發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。
最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。 汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。
對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光�，F(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。
上個世紀60年代，科技工作者利用半導體PN結發(fā)光的原理，研制成了LED發(fā)光二極管。當時研制的LED，所用的材料是GaASP，其發(fā)光顏色為紅色。經過近30年的發(fā)展，現(xiàn)在大家十分熟悉的LED，已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍等多種色光。然而照明需用的白色光LED僅在近年才發(fā)展起來，這里向讀者介紹有關照明用白光LED。
1． 可見光的光譜和LED白光的關系。 眾所周之，可見光光譜的波長范圍為380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如LED發(fā)的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的復合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。由此可見，要使LED發(fā)出白光，它的光譜特性應包括整個可見的光譜范圍。但要制造這種性能的LED，在目前的工藝條件下是不可能的。根據人們對可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長發(fā)光（藍色光＋黃色光）或三波長發(fā)光（藍色光＋綠色光＋紅色光）的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍色光，所以攝取藍色光已成為制造白光的關鍵技術，即當前各大LED制造公司追逐的“藍光技術”。目前國際上掌握“藍光技術”的廠商僅有少數(shù)幾家，比如日本的日亞化學,日本的豐田合成,美國的CREE,德國的歐司朗等,所以白光LED的推廣應用，尤其是高亮度白光LED在我國的推廣還有一個過程。
2． 白光LED的工藝結構和白色光源。 對于一般照明，在工藝結構上，白光LED通常采用兩種方法形成，第一種是利用“藍光技術”與熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產生白光器件。第一種方法產生白光的系統(tǒng)如圖1所示，圖中LED GaM芯片發(fā)藍光（λp＝465nm），它和YAG（釔鋁石榴石）熒光粉封裝在一起，當熒光粉受藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光，結果，藍光和黃光混合形成白光（構成LED的結構如圖2所示）。第二種方法采用不同色光的芯片封裝在一起，通過各色光混合而產生白光。
3．白光LED照明新光源的應用前景。 為了說明白光LED的特點，先看看目前所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為12～24流明／瓦；熒光燈和HID燈的光效為50～120流明／瓦。對白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明／瓦，到了1999年已達到15流明／瓦，這一指標與一般家用白熾燈相近，而在2000年時，白光LED的光效已達25流明／瓦，這一指標與鹵鎢燈相近。有公司預測，到2005年，LED的光效可達50流明／瓦，到2015年時，LED的光效可望達到150～200流明／瓦。那時的白光LED的工作電流便可達安培級。由此可見開發(fā)白光LED作家用照明光源，將成可能的現(xiàn)實。
普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低（燈的熱效應白白耗電），壽命短，維護工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長（連續(xù)工作時間10000小時以上），幾乎無需維護。目前，德國Hella公司利用白光LED開發(fā)了飛機閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明；我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈�？梢灶A見不久的將來，白光LED定會進入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。
LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應時間短、對環(huán)境無污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點，雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。
LED特點和優(yōu)點
LED的內在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。
體積小
LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。
耗電量低
LED耗電非常低，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說：它消耗的電不超過0.1W。
使用壽命長
在恰當?shù)碾娏骱碗妷合�，LED的使用壽命可達10萬小時
高亮度、低熱量
環(huán)保
LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。
堅固耐用
LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內也沒有松動的部分，這些特點使得LED可以說是不易損壞的。
LED的分類
1． 按發(fā)光管發(fā)光顏色分
按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。
根據發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。
2． 按發(fā)光管出光面特征分
按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。
從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：
（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。
（2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。
（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。
3． 按發(fā)光二極管的結構分
按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。
4． 按發(fā)光強度和工作電流分
按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。
除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法
50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，也即固體封裝,所以能起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。
發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。
最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。 汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。
對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光�，F(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。
上個世紀60年代，科技工作者利用半導體PN結發(fā)光的原理，研制成了LED發(fā)光二極管。當時研制的LED，所用的材料是GaASP，其發(fā)光顏色為紅色。經過近30年的發(fā)展，現(xiàn)在大家十分熟悉的LED，已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍等多種色光。然而照明需用的白色光LED僅在近年才發(fā)展起來，這里向讀者介紹有關照明用白光LED。
1． 可見光的光譜和LED白光的關系。 眾所周之，可見光光譜的波長范圍為380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如LED發(fā)的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的復合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。由此可見，要使LED發(fā)出白光，它的光譜特性應包括整個可見的光譜范圍。但要制造這種性能的LED，在目前的工藝條件下是不可能的。根據人們對可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長發(fā)光（藍色光＋黃色光）或三波長發(fā)光（藍色光＋綠色光＋紅色光）的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍色光，所以攝取藍色光已成為制造白光的關鍵技術，即當前各大LED制造公司追逐的“藍光技術”。目前國際上掌握“藍光技術”的廠商僅有少數(shù)幾家，比如日本的日亞化學,日本的豐田合成,美國的CREE,德國的歐司朗等,所以白光LED的推廣應用，尤其是高亮度白光LED在我國的推廣還有一個過程。
2． 白光LED的工藝結構和白色光源。 對于一般照明，在工藝結構上，白光LED通常采用兩種方法形成，第一種是利用“藍光技術”與熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產生白光器件。第一種方法產生白光的系統(tǒng)如圖1所示，圖中LED GaM芯片發(fā)藍光（λp＝465nm），它和YAG（釔鋁石榴石）熒光粉封裝在一起，當熒光粉受藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光，結果，藍光和黃光混合形成白光（構成LED的結構如圖2所示）。第二種方法采用不同色光的芯片封裝在一起，通過各色光混合而產生白光。
3．白光LED照明新光源的應用前景。 為了說明白光LED的特點，先看看目前所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為12～24流明／瓦；熒光燈和HID燈的光效為50～120流明／瓦。對白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明／瓦，到了1999年已達到15流明／瓦，這一指標與一般家用白熾燈相近，而在2000年時，白光LED的光效已達25流明／瓦，這一指標與鹵鎢燈相近。有公司預測，到2005年，LED的光效可達50流明／瓦，到2015年時，LED的光效可望達到150～200流明／瓦。那時的白光LED的工作電流便可達安培級。由此可見開發(fā)白光LED作家用照明光源，將成可能的現(xiàn)實。
普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低（燈的熱效應白白耗電），壽命短，維護工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長（連續(xù)工作時間10000小時以上），幾乎無需維護。目前，德國Hella公司利用白光LED開發(fā)了飛機閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明；我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈�？梢灶A見不久的將來，白光LED定會進入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。
LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應時間短、對環(huán)境無污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點，雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。
LED特點和優(yōu)點
LED的內在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。
體積小
LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。
耗電量低
LED耗電非常低，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說：它消耗的電不超過0.1W。
使用壽命長
在恰當?shù)碾娏骱碗妷合�，LED的使用壽命可達10萬小時
高亮度、低熱量
環(huán)保
LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。
堅固耐用
LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內也沒有松動的部分，這些特點使得LED可以說是不易損壞的。
LED的分類
1． 按發(fā)光管發(fā)光顏色分
按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。
根據發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。
2． 按發(fā)光管出光面特征分
按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。
從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：
（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。
（2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。
（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。
3． 按發(fā)光二極管的結構分
按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。
4． 按發(fā)光強度和工作電流分
按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。
除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法