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什么是LED

晨怡热管 2009-9-9 22:38:23
LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。 

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p-n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。 

最初LED用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了18个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。 

对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(λp=465nm,Wd=30nm),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射,峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度高,因此运用最多。 

上个世纪60年代,科技工作者利用半导体PN结发光的原理,研制成了LED发光二极管。当时研制的LED,所用的材料是GaASP,其发光颜色为红色。经过近30年的发展,现在大家十分熟悉的LED,已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在近年才发展起来,这里向读者介绍有关照明用白光LED。

1. 可见光的光谱和LED白光的关系。 众所周之,可见光光谱的波长范围为380nm~760nm,是人眼可感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的红光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的,因为白光不是单色光,而是由多种单色光合成的复合光,正如太阳光是由七种单色光合成的白色光,而彩色电视机中的白色光也是由三基色黄、绿、蓝合成。由此可见,要使LED发出白光,它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的LED,在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究,人眼睛所能见的白光,至少需两种光的混合,即二波长发光(蓝色光+黄色光)或三波长发光(蓝色光+绿色光+红色光)的模式。上述两种模式的白光,都需要蓝色光,所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术,即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。目前国际上掌握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家,所以白光LED的推广应用,尤其是高亮度白光LED在我国的推广还有一个过程。

2. 白光LED的工艺结构和白色光源。 对于一般照明,在工艺结构上,白光LED通常采用两种方法形成,第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光;第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种方法产生白光的系统如图1所示,图中LED GaM芯片发蓝光(λp=465nm),它和YAG(钇铝石榴石)荧光粉封装在一起,当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光,结果,蓝光和黄光混合形成白光(构成LED的结构如图2所示)。第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起,通过各色光混合而产生白光。

3.白光LED照明新光源的应用前景。 为了说明白光LED的特点,先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯,其光效为12~24流明/瓦;荧光灯和HID灯的光效为50~120流明/瓦。对白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已达到15流明/瓦,这一指标与一般家用白炽灯相近,而在2000年时,白光LED的光效已达25流明/瓦,这一指标与卤钨灯相近。有公司预测,到2005年,LED的光效可达50流明/瓦,到2015年时,LED的光效可望达到150~200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源,将成可能的现实。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜,但光效低(灯的热效应白白耗电),寿命短,维护工作量大,但若用白光LED作照明,不仅光效高,而且寿命长(连续工作时间10000小时以上),几乎无需维护。目前,德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯;澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明;我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来,白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。

LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点,虽然价格较现有照明器材昂贵,仍被认为是它将不可避免地现有照明器件。
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