发光二极管的原理

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它是半导体二极管的一种
，可以把电能转化成光能 。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后 ，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子
，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光
。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同 ，释放出的能量越多
，则发出的光的波长越短 。常用的是发红光 、绿光或黄光的二极管
。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流 。限流电阻R可用下式计算： R=（E－UF）/IF

式中E为电源电压 ，UF为LED的正向压降
，IF为LED的正常工作电流
。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PN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 。

以下是传统发光二极管所使用的无机半导体物料和所它们发光的颜色 LED材料 材料化学式颜色 铝砷化镓 砷化镓 砷化镓磷化物磷化铟镓 铝磷化镓（掺杂氧化锌) AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO红色及红外线 铝磷化镓 铟氮化镓/氮化镓 磷化镓 磷化铟镓铝 铝磷化镓 InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP绿色 磷化铝铟 镓砷化镓 磷化物 磷化铟镓铝 磷化镓 GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP高亮度的橘红色，橙色 ，**
，绿色 磷砷化镓 GaAsP 红色，橘红色 ，** 磷化镓 硒化锌 铟氮化镓 碳化硅 GaP ZnSe InGaN SiC红色
，**，绿色 氮化镓(GaN) 绿色 ，翠绿色
，蓝色 铟氮化镓 InGaN近紫外线，蓝绿色 ，蓝色 碳化硅(用作衬底) SiC蓝色 硅(用作衬底) Si蓝色 蓝宝石(用作衬底) Al2O3蓝色 硒化锌 ZnSe蓝色 钻石 C紫外线 氮化铝,氮化铝镓 AlN AlGaN波长为远至近的紫外线 白光LED

1993年，当时在日本Nichia Corporation（日亚化工）工作的中村修二（Shuji Nakamura）发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光LED
，这类LED在1990 年代后期得到广泛应用
。理论上蓝光LED结合原有的红光LED和绿光LED可产生白光，但白光LED却很少是这样造出来的。

现时生产的白光LED大部分是通过在蓝光LED(near-UV ，波长450nm至470nm)上覆盖一层淡**荧光粉涂层制成的
，这种**磷光体通常是通过把掺了铈的钇铝石榴石(Ce3+:YAG)晶体磨成粉末后混和在一种稠密的黏合剂中而制成的 。当LED芯片发出蓝光，部分蓝光便会被这种晶体很高效地转换成一个光谱较宽（光谱中心约为580nm）的主要为**的光。（实际上单晶的掺Ce的YAG被视为闪烁器多于磷光体
。）由于黄光会刺激肉眼中的红光和绿光受体 ，再混合LED本身的蓝光
，使它看起来就像白色光，而其的色泽常被称作“月光的白色 ”。这种制作白光LED的方法是由Nichia Corporation所开发并从1996年开始用在生产白光LED上 。若要调校淡**光的颜色 ，可用其它稀土金属铽或钆取代Ce3+:YAG中掺入的铈(Ce)
，甚至可以以取代YAG中的部份或全部铝的方式做到
。而基于其光谱的特性，红色和绿色的对象在这种LED照射下看起来会不及阔谱光源照射时那么鲜明。另外由于生产条件的变异 ，这种LED的成品的色温并不统一
，从暖**的到冷的蓝色都有，所以在生产过程中会以其出来的特性作出区分 。

另一个制作的白光LED的方法则有点像日光灯 ，发出近紫外光的LED会被涂上两种磷光体的混合物，一种是发红光和蓝光的铕
，另一种是发绿光的，掺杂了硫化锌(ZnS)的铜和铝
。但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂裂化变质 ，所以生产难度较高
，而寿命亦较短。与第一种方法比较，它效率较低而产生较多热(因为StokesShift前者较大) ，但好处是光谱的特性较佳
，产生的光比较好看 。而由于紫外光的LED功率较高，所以其效率虽比较第一种方法低 ，出来的亮度却相若
。最新一种制造白光LED的方法没再用上磷光体。新的做法是在硒化锌(ZnSe)基板上生长硒化锌的磊晶层 。通电时其活跃地带会发出蓝光而基板会发黄光
，混合起来便是白色光
。

极性

发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长 ，但管壳上有一凸起的小舌
，靠近小舌的引线是正极 。

LED单向导通性

LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压） ，当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光
，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高
、寿命长、不易破损 、开关速度高
、高可靠性等传统光源不及的优点
。白光LED的发光效率 ，在近几年来已经有明显的提升
，同时，在每千流明的购入价格上 ，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响
，而明显下降。虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具 、装饰
、招牌甚至路灯用途，但在技术上 ，LED在光电转换效率(有效照度对用电量的比值)上仍然低于新型的荧光灯
，是国家以后发展民用的去向 。

特性

与白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好 ，可靠性高
，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱
。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源 ，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管
，每个数码管可显示0～9，10个阿拉伯数字以及A ，B
，C，D ，E
，F等部分字母（必须区分大小写） 。

参数

LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率 、发光强度
、光强分布、波长
。

发光效率和光通量

发光效率就是光通量与电功率之比，单位一般为lm/W。发光效率代表了光源的节能特性 ，这是衡量现代光源性能的一个重要指标 。

发光强度和光强分布

LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱
，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性
。这个参数实际意义很大 ，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏
，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像 。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别
。

波长

对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良 ，而且要注意到红 、黄
、蓝、绿 、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格
，不过据观察我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红 ，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的 。

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