LED燈及其發(fā)光原理

LED燈及其發(fā)光原理
一、LED的結構及發(fā)光原理
50年前人們已經(jīng)了解半導體材料可產(chǎn)生光線(xiàn)的基本知識，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)，它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個(gè)有引線(xiàn)的架子上，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護內部芯線(xiàn)的作用，所以L(fǎng)ED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(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時(shí)會(huì )把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，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(chēng)LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線(xiàn)，光的強弱與電流有關(guān)。
二、LED光源的特點(diǎn)
1. 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。
2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%
3. 適用性：很小，每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境
4. 穩定性：10萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的50%
5. 響應時(shí)間：其白熾燈的響應時(shí)間為毫秒級，LED燈的響應時(shí)間為納秒級
6. 對環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞
7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過(guò)化學(xué)修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實(shí)現紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著(zhù)電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色
8. 價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。
　　 三、單色光LED的種類(lèi)及其發(fā)展歷史
最早應用半導體P-N結發(fā)光原理制成的LED光源問(wèn)世于20世紀60年代初。當時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。
70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出現了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。
90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開(kāi)發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區（λp=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區域（λp=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。
　　 四、單色光LED的應用
最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來(lái)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(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來(lái)是采用長(cháng)壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)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(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。
汽車(chē)信號燈也是LED光源應用的重要領(lǐng)域。1987年，我國開(kāi)始在汽車(chē)上安裝高位剎車(chē)燈，由于LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車(chē)輛的司機知道行駛狀況，減少汽車(chē)追尾事故的發(fā)生。
另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應用。
五、白光LED的開(kāi)發(fā)
對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開(kāi)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)出黃色光發(fā)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(shù)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在，對于InGaN/YAG白色LED，通過(guò)改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。
表一列出了目前白色LED的種類(lèi)及其發(fā)光原理。目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為25流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進(jìn)口，價(jià)格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開(kāi)發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過(guò)發(fā)光效率較差。
從表中也可以看出某些種類(lèi)的白色LED光源離不開(kāi)四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結構的黃色粉，在未來(lái)較被看好的是三波長(cháng)光，即以無(wú)機紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預計三波長(cháng)白光LED今年有商品化的機機會(huì )。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩定性要求也高，具體應用方面還在探索之中。
　表 一 白 色 LED 的 種 類(lèi) 和 原 理
芯片數 激發(fā)源 發(fā)光材料 發(fā)光原理
1 藍色LED InGaN/YAG InGaN的藍光與YAG的黃光混合成白光
藍色LED InGaN/熒光粉 InGaN的藍光激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光
藍色LED ZnSe 由薄膜層發(fā)出的藍光和在基板上激發(fā)出的黃光混色成白光
紫外LED InGaN/熒光粉 InGaN的紫外激發(fā)的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)白光
2 藍色LED
黃綠LED InGaN、GaP 將具有補色關(guān)系的兩種芯片封裝在一起，構成白色LED
3 藍色LED
綠色LED
紅色LED InGaN
AlInGaP 將發(fā)三原色的三種小片封裝在一起，構成白色LED
多個(gè) 多種光色的LED InGaN、GaP
AlInGaP 將遍布可見(jiàn)光區的多種光芯片封裝在一起，構成白色LED
采用LED光源進(jìn)行照明，首先取代耗電的白熾燈，然后逐步向整個(gè)照明市場(chǎng)進(jìn)軍，將會(huì )節約大量的電能。近期，白色LED已達到單顆用電超過(guò)1瓦，光輸出25流明，也增大了它的實(shí)用性。表二和表三列出了白色LED的效能進(jìn)展。
表 二 單 顆 白 色L ED 的 效 能 進(jìn)展
年份 發(fā)光效能（流明/瓦） 備注
1998 5
199 15 相若白熾燈
2001 25 相若鹵鎢燈
2005 50 估計
表三 長(cháng)遠發(fā)展目標
單顆白色LED
輸入功率 10瓦
發(fā)光效能 100流明/瓦
輸出光能 1000流明/瓦
六、業(yè)界概況 　　在LED業(yè)者中，日亞化學(xué)是最早運用上述技術(shù)工藝研發(fā)出不同波長(cháng)的高亮度LED，以及藍紫光半導體激光（Laser Diode；LD），是業(yè)界握有藍光LED專(zhuān)利權的重量級業(yè)者。在日亞化學(xué)取得蘭色LED生產(chǎn)及電極構造等眾多基本專(zhuān)利后，堅持不對外提供授權，僅采自行生產(chǎn)策略，意圖獨占市場(chǎng)，使得藍光LED價(jià)格高昂。但其他已具備生產(chǎn)能力的業(yè)者相當不以為然，部分日系LED業(yè)者認為，日亞化工的策略，將使日本在藍光及白光LED競爭中，逐步被歐美及其他國家的LED業(yè)者搶得先機，屆時(shí)將對整體日本LED產(chǎn)業(yè)造成嚴重傷害。因此許多業(yè)者便千方百計進(jìn)行藍光LED的研發(fā)生產(chǎn)。目前除日亞化學(xué)和住友電工外，還有豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球3大照明廠(chǎng)奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、Siemens、 Research、EMCORE等都投入了該產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，對促進(jìn)白光LED產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化方面起到了積極的促進(jìn)作用。
七、LED和常見(jiàn)光源的性能比較
名稱(chēng) 耗電量（W） 工作電壓（v） 協(xié)調控制 發(fā)熱量 可靠性 使用壽命（h）
金屬鹵素燈 100 220 不易 極高 低 3000
霓虹燈 500 較高 高 高 宜室內 3000
鎂氖燈 16W/m 220 較好 較高 較好 6000
日光燈 4-100 220 不易 較高 低 5000-8000
冷陰極 15W/m 需逆變 較好 較低 較好 10000
鎢絲燈 15-200 220 不宜 高 低 3000
節能燈 3-150 220 不宜調光 低 低 5000
LED燈 極低 直流12-36V（可用220V） 多種形式 極低 極高 10萬(wàn)