LED的结构及发光原理.pdf

一、 LED 的结构及发光原理 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┌氲继宀牧系腜 N 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。 二、 LED 光源的特点 1. 电压： LED使用低压电源，供电电压在 6-24V 之间，根据产品不同而异，所以它是一个 比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%。 3. 适用性：很小，每个单元 LED小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形状的器 件，并且适合于易变的环境 。 4. 稳定性： 10 万小时，光衰为初始的 50% 。 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， LED灯的响应时间为纳秒级 。 6. 对环境污染：无有害金属汞 。 7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结 构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 LED，随着电流的增加，可以 依次变为橙色，黄色，最后为绿色。 8. 价格： LED 的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只 LED的价格就可以与一只白炽灯的价 格相当，而通常每组信号灯需由上 300 ～ 500 只二极管构成。 三、单色光 LED 的种类及其发展历史 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（λ p=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（λ p=555nm），黄光（λ p=590nm） 和橙光（λ p=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（λ p=615nm） 的光效达到 100 流明 / 瓦，而后者制成的 LED在绿色区域（λ p=530nm）的光效可以达到 50 流明 / 瓦。 四、单色光 LED 的应用 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 14