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(shí),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. LED結(jié)構(gòu)圖如下圖所示

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(huì)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(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(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(jí),LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)

6. 對(duì)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?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(dāng),而通常每組信號(hào)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(hào)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(huì)效益.以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例。

在美國(guó)本來是采用長(zhǎng)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(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域.1987年,我國(guó)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(jí)),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(duì)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(duì)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.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(zhǎng)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(jí)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(duì)外提供授權(quán),僅采自行生產(chǎn)

策略,意圖獨(dú)占市場(chǎng),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(jìng)爭(zhēng)中,逐步被歐美

及其他國(guó)家的LED業(yè)者搶得先機(jī),屆時(shí)將對(duì)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(duì)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.