| 词条 | 发光二极管 |
| 释义 | § 简介 发光二极管 发光二极管(LightEmittingDiode,LED)，是一种半导体组件。初时多用作为指示灯、显示板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。1955年，美国无线电公司（RadioCorporationofAmerica）的鲁宾•布朗石泰（RubinBraunstein）（1922年生）首次发现了砷化镓(GaAs)及其它半导体合金的红外放射作用。1962年，通用电气公司的尼克•何伦亚克（NickHolonyakJr.）（1928年生）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。 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。 § 原理 发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先通过注入或掺杂等工艺以产生pn结结构。与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（负极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向pn结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的方式释放出能量。它所发出的光的波长，及其颜色，是由组成pn结的半导体物料的禁带能量所决定。由于硅和锗是间接禁带材料，在这些材料中电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极管不能发光。发光二极管所用的材料都是直接禁带型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。两种常见LED光源的剖面图（1） 两种常见LED光源的剖面图（2） 在发展初期，采用砷化镓(GaAs)的发光二极管只能发出红外线或红光。随着材料科学的进步，人们已经制造出可发出更短波长的、各种颜色的发光二极管。 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： 铝砷化稼(AlGaAs)-红色及红外线 铝磷化稼(AlGaP)-绿色 aluminiumgalliumindiumphosphide(AlGaInP)-高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色 磷砷化稼(GaAsP)-红色，橘红色，黄色 三种不同颜色的LED磷化稼(GaP)-红色，黄色，绿色 氮化镓(GaN)-绿色，翠绿色，蓝色 铟氮化稼(InGaN)-近紫外线，蓝绿色，蓝色 碳化硅(SiC)(用作衬底)-蓝色 硅(Si)(用作衬底)-蓝色(开发中) 蓝宝石(Al2O3)(用作衬底)-蓝色 zincselenide(ZnSe)-蓝色 钻石(C)-紫外线 氮化铝(AlN),aluminiumgalliumnitride(AlGaN)-波长为远至近的紫外线 § 蓝光与白光LED 用GaN形成的蓝光LED1993年，当时在日本NichiaCorporation(日亚化工)工作的中村修二（ShujiNakamura）发明了基于宽禁带半导体材料氮化稼（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 发光二极管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，但现在的白光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)上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层制成的，这种黄色磷光体通常是通过把掺了铈的YttriumAluminumGarnet(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）的主要为黄色的光。(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NichiaCorporation所开发并从1996年开始用在生产白光LED上。若要调校淡黄色光的颜色，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，从暖黄色的到冷的蓝色都有，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。 § 其它颜色 近期开发出来的LED颜色包括粉红色和紫色，都是在蓝光LED上覆盖上一至两层的磷光体造成。粉红色LED用的第一层磷光体能发黄光，而第二层则发出橙色或红色光。而紫色LED用的磷光体发橙色光。另外一些粉红色LED的制造方法则存在一定的问题，例如有些粉红 发光二极管色LED是在蓝光LED涂上荧光漆或指甲油，但它们有机会剥落；而有些则用上白光LED加上粉红色磷光体或染料，可是在短时间内颜色会褪去。 价钱方面，紫外线、蓝色、纯绿色、白色、粉红色和紫色LED是较红色、橙色、绿色、黄色、红外线LED贵的，所以前者在商业用途上比较逊色。 发光二极管是封装在塑料透镜内的，比使用玻璃的灯泡或日光灯更坚固。而有时这些外层封装会被上色，但这只是为了装饰或增加对比度，实质上并不能改变发光二极管发光的颜色。 § 有机发光二极管，OLED 结合蓝色、黄绿（草绿）色，以及高亮度的红色LED等三者的频谱特性曲线，三原色在FWHM频谱中的频宽约24奈米—27奈米。主条目：有机发光半导体发光二极管 有机发光二极管所用的物料是处结晶状态有机分子或高分子材料，而由后者制成的LED具有可弯曲的特性。和传统的发光二极管相比，OLED的亮度更高，将来可望应用于制造平价可弯曲显示屏、照明设备、发光衣或装饰墙壁。2004年开始，OLED已广泛应用于随身MP3播放器。 § 运作参数和效率 一般最常见的LED工作功率都是设定于30至60毫瓦电能以下。在1999年开始引入了可以在1瓦电力输入下连续使用的商业品级LED。这些LED都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题，而那半导体芯片都是固定在金属铁片上，以助散热。在2002年，在市场上开始有5瓦的LED的出现，而其效率大约是每瓦18至22流明。 发光二极管 2003年九月，Cree,Inc.公司展示了其新款的蓝光LED，在20毫安下达到35%的照明效率。他们亦制造了一款达65流明每瓦的白光LED商品，这是当时市场上最光的白光LED。在2005年他们展示了一款白光LED原型，在350毫安工作环境下，创下了每瓦70流明的记录性效率。 今天，OLED的工作效率比起一般的LED低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生产成本低得多，例如可以用简单的印制方法将特大的OLED数组安放在屏幕上，用以制造彩色显示屏。 § 几种错误的尝试法 最共同的方式为LEDs(和二极管lasers)失败是逐渐降低效率光输出和损失。但是,突然的失败可能发生当活跃区域的退化well.The机制,辐射性再结合发生,介入脱臼生核和成长;这要求一个现有的瑕疵的出发光二极管现在水晶和被热、高电流密度,和散发的光加速。砷化镓和铝砷化镓是易受这个机制比砷化镓磷化物、铟砷化镓磷化物,和铟磷化物。 由于活跃地区、镓氮化物和铟镓氮化物的不同的物产是实际上厚脸皮的对这种瑕疵;但是,高电流密度可能导致原子的电移在活跃地区,导致脱臼和点瑕疵诞生,作为nonradiative再结合中心和导致热外面代替光。致电离辐射可能导致创作的这样瑕疵,导致问题以辐射硬化电路包含LEDs(即在optoisolators里)。 早期的红色LEDs经常是著名的至于他们短的lifetime.WhiteLEDs使用一个或更多黄磷。黄磷倾向于贬低以热并且年龄,丢失的效率和导致变化在导致的光color.High电流上在被举起的温度可能导致金属原子扩散从电极入活跃区域。 一些材料,著名地铟罐子氧化物和银,是依于电移。在某些情况下,特别是与GaN/InGaN二极管,障碍金属层数使用妨害电移作用。机械重音,高潮流,并且腐蚀性环境可能导致颊须的形成,导致短的circuits.High力量LEDs是易受当前拥挤,电流密度的nonhomogenous发行在连接点。 这也鸟伬P地方化的热点的创作,形成热量逃亡风险。Nonhomogenities在基体,导致导热性地方化的损失,加重情况;最共同那些是空隙由电移作用和Kirkendall无效造成由残缺不全焊接,或。热量逃亡是LEDfailures.Laser二极管的同道会也闭O依于灾难光学损伤,当光输出超出一个重要水平并且熔化塑料包裹facet.Some材料倾向于染黄当服从对热的起因,导致部份效率吸收(和因此损失)受影响的wavelengths.Sudden失败由热量重音经常造成。 § 使用LED的权衡考虑 近看一颗典型的LED，可以看到其内部结构。不同于白炽电灯泡,白炽灯不管电流的极性，但LED有单向导电性。当电流从p-n结方向正向流动时,成为正向偏置。 发光二极管 如果电流是反向流过PN结,称为反向偏置,只能通过很少的电流,并且不会发光。LED可能接在交流电中使用,但他们只会点亮正面电压,导致LED转动断断续续闪动，以AC的频率闪亮。 § 已知的LED应用列表 其中一些应用在以下文本进一步详尽阐述。发光二极管 LEDs使用作为情报显示以嵌入系统的各种各样的类型： Status显示 continuity显示在紧急车的Light酒吧。 Thin，轻量级信息显示在机场和火车站和当火车、公共汽车、电车和轮渡的目的地显示。 Red或黄色LEDs在必须保留夜视的环境里用于显示和字母数字显示器：飞机座舱、潜水艇和航运船桥，天文观测所，和领域的，即夜间动物观看和军事野外使用。 Red、黄色、绿色和蓝色LEDs可以为模型铺铁路的应用使用 to传送数字信息：发光二极管 电视的，录象机等等Remote控制，使用红外LEDs。 In光纤通信。 红色或黄色LEDs在必须保留夜视的环境里用于显示和字母数字显示器：飞机座舱、潜水艇和航运船桥，天文观测所，和领域的，即夜间动物观看和军事野外使用。 Red、黄色、绿色和蓝色LEDs可以为模型铺铁路的应用使用 to传送数字信息： 电视的，录象机等等Remote控制，使用红外LEDs。 In光纤通信。 In显示的消息点矩阵安排。 In交通信号，LED群替换色的白炽电灯泡。 Movement传感器，例如，在光学计算机老鼠 § 照明应用 作为替换的LEDs用于白炽光电灯泡和日光灯叫作固体照明设备(SSL)-被包装，一起被编组的白色LEDs群形成一个光源(被生动描述)。LEDs是适度地高效率的：平均商务SSL当前输出每瓦特32流明(lm/W)和新技术许诺交付80lm/W。长的终身LEDs使SSL非常有吸引力。他们比白炽光电灯泡和荧光灯管也更加机械上健壮的。目前，固体照明设备不是可用的为家庭使用，不要求在家庭应用的电源转换，并且不是相对地昂贵的，虽然费用是越来越少的。然而LED手电已经变得广泛可用。 § LED的分类 一、按发光管发光颜色 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 二、按发光管出光面特征 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类： （一）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5～20或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 （二）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20～45。 （三）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45～90或更大，散射剂的量较大。 三、按发光二极管的结构 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 四、按发光强度和工作电流 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度<;10mcd）；超高亮度的LED（发光强度>100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。 一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 § 历史发展 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，1962年，通用电气公司的尼克•何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。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，即固体封装，所以能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结施加反向电压时，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。 LED 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。 |
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