LED结构与发光原理

LED是什么？LED是英文LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写，是一种半导体固体发光器件。利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫和白色的光。LED产品就是利用LED作为光源制造出来的高科技产品。LED是英文lightemittingdiode的缩写，即：光线激发二极管，属于一种半导体元器件。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LELED的发光原理实际上LED，就是发光二极管（lightemittingdiode）。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。主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。LED是怎样发光的如上图，LED和我们常用的白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而是采用了电场发光。LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片。在P型半导体和N型半导体之间得过渡层，便是我们常说的P-N结。PN结当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合时，由于交界面处存在的载流子浓度差，于是电子和空穴都会从高浓度区域向低浓度区域扩散。我们知道，电子与空穴都是带电的，其扩散的结果就导致了Ｐ区和Ｎ区原来的电中性被破坏。这样，Ｐ区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子，Ｎ区一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子就是空间电荷。在空间电荷集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一很薄的空间电荷区，就是P-N结。在P区一侧为负电荷，N区为正电荷，于是空间电荷区，便出现了由N到P的电场。这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，这便是内电场。由于内电场的存在，使得P-N结处于动态平衡状态。当我们给P-N结一个正向电压，便改变了P-N结的动态平衡。注入的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合时，便将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。如果给PN结加反向电压，少数载流子（少子）难以注入，故不发光。正向导通正向导通反向截止利用注入式电发光原理制作的二极管就是我们常说得发光二极管，即LED。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。二极管是由一个PN结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通常主要用它的伏安特性来表示。二极管的伏安特性是指流过二极管的电流iD与加于二极管两端的电压uD之间的关系或曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U～I曲线，称二极管的伏安特性曲线。图Z0111是二极管的伏安特性曲线示意图，依此为例说明其特性。一、正向特性由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。当正向电压升高到一定值Uγ（Uth）以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。Uγ被称为门限电压或阀电压。Uγ视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压Uγ的值，如图中虚线与U轴的交点。当正向电压大于Uγ以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用UF来表示。通常，硅管的导通电压约为0.6～0.8V（一般取为0.7V），锗管的导通电压约为0.1～0.3V（一般取为0.2V）。二、反向特性当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图Z0111中所示。但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的反向电流在μA数量级。三、反向击穿特性当反向电压增大到一定数值UBR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，UBR（或用VB表示）称为击穿电压，UBR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。LED光源的基本特征主要包括以下五点：１、发光效率高LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。２、耗电量少LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。３、使用寿命长采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。４、安全可靠性强发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。５、有利于环保LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4～9年中每年几倍的节能净收益期。LED的缺点*散热问题，如果散热不佳会大幅缩短寿命。*低端LED灯的省电性还是低于节能灯（冷阴极管，CCFL）。*初期购买成本较高。*因LED光源方向性很强，灯具设计需要考虑LED特殊光学特性。D被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上各个国家围绕LED的研究和应用展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的计划。中国在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。*发光(能量转换)效率高–也即较省电，比传统灯泡高。LED的历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。