LED燈及其發(fā)光原理
一、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理
50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，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，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)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(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)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(dāng)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陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)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(jù)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(wěn)定性：10萬小時(shí)，光衰為初始的50%
5. 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級
6. 對環(huán)境污染：無有害金屬汞
7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬S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(dāng)，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構(gòu)成。
　　 三、單色光LED的種類及其發(fā)展歷史
最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)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(yīng)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(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。
90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開發(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(qū)（λp=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達(dá)到50流明/瓦。
　　 四、單色光LED的應(yīng)用
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(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)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(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(shè)計(jì)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(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。
汽車信號燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機(jī)知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。
另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。
五、白光LED的開發(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(lán)光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)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(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。現(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)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的種類及其發(fā)光原理。目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍(lán)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發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過發(fā)光效率較差。
從表中也可以看出某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍(lán)粉和石榴石結(jié)構(gòu)的黃色粉，在未來較被看好的是三波長光，即以無機(jī)紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預(yù)計(jì)三波長白光LED今年有商品化的機(jī)機(jī)會。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩(wěn)定性要求也高，具體應(yīng)用方面還在探索之中。
　表 一 白 色 LED 的 種 類 和 原 理
芯片數(shù) 激發(fā)源 發(fā)光材料 發(fā)光原理
1 藍(lán)色LED InGaN/YAG InGaN的藍(lán)光與YAG的黃光混合成白光
藍(lán)色LED InGaN/熒光粉 InGaN的藍(lán)光激發(fā)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光
藍(lán)色LED ZnSe 由薄膜層發(fā)出的藍(lán)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(lán)三基色熒光粉發(fā)白光
2 藍(lán)色LED
黃綠LED InGaN、GaP 將具有補(bǔ)色關(guān)系的兩種芯片封裝在一起，構(gòu)成白色LED
3 藍(lán)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(gòu)成白色LED
多個(gè) 多種光色的LED InGaN、GaP
AlInGaP 將遍布可見光區(qū)的多種光芯片封裝在一起，構(gòu)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)照明市場進(jìn)軍，將會節(jié)約大量的電能。近期，白色LED已達(dá)到單顆用電超過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(jì)
表三 長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)
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(yùn)用上述技術(shù)工藝研發(fā)出不同波長的高亮度LED，以及藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光（Laser Diode；LD），是業(yè)界握有藍(lán)光LED專利權(quán)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(gòu)造等眾多基本專利后，堅(jiān)持不對外提供授權(quán)，僅采自行生產(chǎn)策略，意圖獨(dú)占市場，使得藍(lán)光LED價(jià)格高昂。但其他已具備生產(chǎn)能力的業(yè)者相當(dāng)不以為然，部分日系LED業(yè)者認(rèn)為，日亞化工的策略，將使日本在藍(lán)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(jī)，屆時(shí)將對整體日本LED產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重傷害。因此許多業(yè)者便千方百計(jì)進(jìn)行藍(lán)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、市場化方面起到了積極的促進(jìn)作用。
七、LED和常見光源的性能比較
名稱 耗電量（W） 工作電壓（v） 協(xié)調(diào)控制 發(fā)熱量 可靠性 使用壽命（h）
金屬鹵素?zé)?100 220 不易 極高 低 3000
霓虹燈 500 較高 高 高 宜室內(nèi) 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(jié)能燈 3-150 220 不宜調(diào)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