一 LED的结构及发光原理

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年.

LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导

体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用。

所以LED的抗震性能好. LED结构图如下图所示

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型

半导体之间有一个过渡层,称为p-n结.在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与

多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能.PN结

加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光.这种利用注入式电致发光原理制作的二极管

叫发光二极管,通称LED. 当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED

阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关.

二,LED光源的特点

1. 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.

2. 效能:消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

3. 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

4. 稳定性:10万小时,光衰为初始的50%

5. 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

6. 对环境污染:无有害金属汞

7. 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

8. 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.

三,单色光LED的种类及其发展历史

最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初.当时所用的

材料是GaAsP,发红光(λp=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(λp=555nm),黄光(λp=590nm)和

橙光(λp=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(λp=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.

四,单色光LED的应用

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,蓝全彩显示屏,匙扣式微型电筒等领域都得到了应用.

五,白光LED的开发 :对于一般照明而言,人们更需要白色的光源.1998年发白光的LED

开发成功.这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成.GaN芯片发蓝

光(λp=465nm,Wd=30nm),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄

色光发射,峰值550nm.蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层。

约200-500nm. LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光

混合,可以得到得白光.现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组

成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光.在LED业者中,日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度LED,以及

蓝紫光半导体激光(Laser Diode;LD),是业界握有蓝光LED专利权的重量级业者.在日亚

化学取得兰色LED生产及电极构造等众多基本专利后,坚持不对外提供授权,仅采自行生产

策略,意图独占市场,使得蓝光LED价格高昂.但其他已具备生产能力的业者相当不以为然。

部分日系LED业者认为,日亚化工的策略,将使日本在蓝光及白光LED竞争中,逐步被欧美

及其他国家的LED业者抢得先机,届时将对整体日本LED产业造成严重伤害.因此许多业者

便千方百计进行蓝光LED的研发生产.目前除日亚化学和住友电工外,还有丰田合成,罗沐。

东芝和夏普,美商Cree,全球3大照明厂奇异,飞利浦,欧司朗以及HP,Siemens, Research。

EMCORE等都投入了该产品的研发生产,对促进白光LED产品的产业化,市场化方面起到了

积极的促进作用.