认识LED：发光二极管的特点和应用

一、发光二极管（LED）概述

1.发光二极管（LED）的诞生及发展史

在19世纪爱迪生发明电灯之前，人类实现照明的方式非常简单，那就是直接借助各种火源的直射光，例如蜡烛、油灯等。这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月，却因为极低的发光效率和发光质量，只能尘封在历史的博物馆中，进入20世纪后，随着人类新工业革命的爆发，以爱迪生发明的新式白炽灯为代表的照明设备，正式成为人类生产生活中的主流发光设备。

在白炽灯出现之后，人类社会的电力照明设备大致经过了三个重要的发展阶段，这三个阶段中的代表性光源分别为荧光灯、高强度气体放电灯和LED光源。其中高强度气体放电灯由于对使用环境要求严格，成本较高，目前还不是民用领域的主流照明设备，所以，和我们日常生活息息相关的光源设备，也就只有白炽灯、荧光灯和LED光源这三大类。

在这三大类光源中，LED照明技术是出现时间最晚，优点最多的一种照明技术，因此，自从20世纪60年代出现以来，伴随着近代半导体技术的发展，得到了大量的普及应用，特别是进入21世纪之后，由LED照明技术衍生而出的LED显示技术和LED辅助显示技术，已经显露越来越强烈的发展势头。

除了在日常电力照明领域正在普及的LED光源，目前在显示领域与LED有关的设备主要有两种：一是直接使用LED成像的LED显示屏，另一种就是利用LED的优良发光特性，把LED作为电视背光源使用的新型液晶电视。另外有一种曝光率较高的OLED显示技术，虽然只比LED多了一个字母，但是由于技术层面较大的差距，可以看成一类全新的显示技术，因此并不在本部分的探讨范围之内。

以下就是LED的发展史：

1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于碳化硅与电致发光不能很好地适应，研究被摒弃了。20年代晚期Bernhard Gudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。

1936年，George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，并于60年代面世。据说在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。

70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。LED采用双层磷化镓芯片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。尽管它不如欧洲的LED高效。但在70年代末，它能发出纯绿色的光。

80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，再一次利用金刚砂—早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。

90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。早期的LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域，并将会在接下的一段时间继续下去。

2.LED结构

所谓LED，就是发光二极管（light emitting diode），顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件，具有二极管的特性。其基本结构为一块电致发光的半导体模块，封装在环氧树脂中，通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。发光二极管LED的基本结构如图9-1所示，它是一块电致发光的半导体晶片（俗称芯片），芯片附在支架上，一端为负极，另一端正极，正极用于连接电源，整个芯片四周由环氧树脂密封（俗称封装），环氧树脂的作用是保护LED的内部元件及结构。发光二极管LED主要组成部分是芯片，芯片由两部分组成，如图9-2所示，一部分是P型半导体，占主导地位，另一部分是N型半导体。

LED封装主要是单芯片封装和多芯片封装。单芯片封装是最常用的封装技术，多芯片封装是当前较为流行的封装方式，涉及电极分布、散热、荧光粉涂布工艺等问题，实际操作中有一定难度。

图9-1　LED结构

图9-2　LED电路示意图

发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。在LED得两端加上正向电压，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。调节电流，便可以调节光的强度。可以通过改变电流可以变色，这样可以通过调整材料的能带结构和带隙，便可以多色发光。

常见的其他两类发光二极管有：LD和UV LED。

LD（Laser Diode）半导体激光二极管，和LED类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的，其外形和内部结构示意图如图9-3所示。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。体积小，耦合效率高，响应速度快。LD，光线比较集中，、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。(www.xing528.com)

图9-3　半导体激光二极管外形及内部示意图

a-LD的外形图；b-LD结构示意图；c-符号

还有一类就是UV LED，UV（Ultraviolet Rays）即紫外光线，从LED原理中我们知道，LED是在半导体PN结处流过正向电流时，能以高的转换效率辐射出200～1550nm范围包括紫外、红外和可见光谱。紫外线是肉眼看不见的，是可见紫色光以外的一段电磁辐射，波长在10到400nm的范围。通常按其性质的不同又细为几下几段：

真空紫外线（Vacuum UV），波长为10～200nm

短波紫外线（UV-C），波长为200～290nm

中波紫外线（UV-B），波长为290～320nm

长波紫外线（UV-A），波长为320～400nm

可见光（Visible light），波长为400～760nm

3.LED发光原理

半导体芯片是一种特殊的二极管，具有和普通二极管相同的结构，由一个PN结组成，因此也具有相同的单向导电性。二级管加载电流后，内部的电子和空穴在PN结附近复合，电子跌落到较低的能阶，产生自发辐射的荧光。电子由较高能级跌落，同时产生自发的辐射荧光。电子和空穴所处的能级因半导体材料的不同而不同。不同能级的电子和空穴在结合时释放的能量也不同，能量越高，发出的光的波长就越短，因此可以说波长由半导体的材料来决定，而波长又决定光的颜色，故可以说是由半导体的材料决定发光颜色。简单地说，光的颜色取决于芯片所用的材料。比如半导体材料用铝砷化镓（A1GaAs）光色为红色；用铝磷化镓光色为绿色；用磷化铝铟镓（A1GaInP）光色为高亮度的橘红色、橙色、黄色、绿色等等。

和电脑芯片一样，LED内的芯片可以通过软件编程来控制发光时间，通过电流控制电路来改变颜色。

4.白光LED

飞利浦首席执行长柯慈雷（Gerard Kleisterlee）说：“在固体传导技术的推动下，首先是晶体管取代收音机所使用的真空管，接着液晶显示器取代了原先的电视机显像管，最终，照明领域也将因固体传导技术的发展而发生变革。”

常规光源是靠燃烧形成白炽化（白炽、卤钨灯）或在气体中放电（荧光灯、节能灯）而工作的，这两种发光方式都与巨大能量损失相关。半导体发光则是另一种能量损失很小的照明方式——固体照明。近30年来，作为固体光源的半导体发光二极突破单一颜色的局限性向白色光照明迈进。

目前得到白光的途径主要有以下两种。

一种是配色得到白平衡。白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21%，蓝色的亮度为10%时，混色后人眼感觉到的是纯白色，如图9-4（a）所示。

另一种由蓝色光和和黄色荧光合成。白光发光二极管由于在灯管灯罩上涂有少量荧光粉，在其发出第一发射光（紫外光或蓝光）时，其中的一部分光被周围荧光粉激发而变为第二发射光，第二发射光与剩余的第一发射光混合之后就得到了白光，如图9-4（b）所示。简而言之，就是半导体所发出的蓝色光与蓝色光被荧光粉吸收后发出的黄色光合成白光。

图9-4　白光LED获取示意图

a-红绿蓝通过配色得到白光；b-蓝色光和和黄色荧光合成得到白光