led燈的結(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(xiàn)的基本知識(shí),第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年

1、led燈的結(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(xiàn)的基本知識(shí)，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于I960年。LED是英文lightemittingdiode（發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)，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(xiàn)的架子上，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線(xiàn)的作用，所以L(fǎng)ED的抗震性能好。led燈結(jié)構(gòu)圖如下圖所示陽(yáng)極壞發(fā)光二極管的構(gòu)造圖牝騏形支衆(zhòng)毎膽彌脂封裳劇芯片商發(fā)射碗的陰機(jī)+干發(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(guò)渡層，稱(chēng)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

2、以光的形式釋放出來(lái)，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(chēng)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(yáng)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(xiàn),光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。二、什么是led光源,led光源的特點(diǎn)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。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%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

3、變的環(huán)境穩(wěn)定性：10萬(wàn)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)對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過(guò)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S色，最后為綠色價(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300500只二極管構(gòu)成。三、單色光led燈的種類(lèi)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(wèn)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（

4、尢p=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（Xp=555nm），黃光（尢p=590nm）和橙光（尢p=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(kāi)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)（Xp=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（尢p=530nm）的光效可以達(dá)到

5、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(lái)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(lái)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(chē)信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國(guó)開(kāi)始在汽車(chē)上安裝高位剎車(chē)燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），可以及早讓尾隨車(chē)輛的司機(jī)知道行駛

6、狀況，減少汽車(chē)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燈的開(kāi)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燈開(kāi)發(fā)成功。這種led燈是將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Qp=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(shù)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?，F(xiàn)在，對(duì)于InGaN/

7、YAG白色LED，通過(guò)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。（如下圖所示）表一列出了目前白色led燈的種類(lèi)及其發(fā)光原理。目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍(lán)光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為25流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進(jìn)口，價(jià)格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開(kāi)發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED,不過(guò)發(fā)光效率較差。從表中也可以看出某些種類(lèi)的白色LED光源離不開(kāi)四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍(lán)粉和石榴石結(jié)構(gòu)的黃色粉，在未來(lái)較被看好的是三波長(zhǎng)光，即以無(wú)機(jī)紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預(yù)計(jì)三

8、波長(zhǎng)白光LED今年有商品化的機(jī)機(jī)會(huì)。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩(wěn)定性要求也高，具體應(yīng)用方面還在探索之中。表一白色LED的種類(lèi)和原理芯片數(shù)激發(fā)源發(fā)光材料發(fā)光原理color=red藍(lán)色led燈InGaN/YAGInGaN的藍(lán)光與YAG的黃光混合成白光藍(lán)色led燈InGaN/熒光粉InGaN的藍(lán)光激發(fā)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光藍(lán)色led燈ZnSe由薄膜層發(fā)出的藍(lán)光和在基板上激發(fā)出的黃光混色成白光紫外led燈InGaN/熒光粉InGaN的紫外激發(fā)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光2藍(lán)色led燈黃綠led燈InGaN、GaP將具有補(bǔ)色關(guān)系的兩種芯片封裝在一起，構(gòu)成白色LED3藍(lán)色led燈綠色led燈紅

9、色led燈InGaNAlInGaP將發(fā)三原色的三種小片封裝在一起，構(gòu)成白色LED多個(gè)多種光色的LEDInGaN、GaPAlInGaP將遍布可見(jiàn)光區(qū)的多種光芯片封裝在一起，構(gòu)成白色LED采用LED光源進(jìn)行照明，首先取代耗電的白熾燈，然后逐步向整個(gè)照明市場(chǎng)進(jìn)軍，將會(huì)節(jié)約大量的電能。近期，白色LED已達(dá)到單顆用電超過(guò)1瓦，光輸出25流明，也增大了它的實(shí)用性。表二和表三列出了白色LED的效能進(jìn)展。表二單顆白色LED的效能進(jìn)展年份發(fā)光效能（流明/瓦）備注19985199915相若白熾燈200125相若鹵鎢燈200550估計(jì)表三長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)單顆白色LED輸入功率10瓦發(fā)光效能100流明/瓦輸出光能1000流明/瓦六、業(yè)界概況在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（LaserDiode；LD），是業(yè)界握有藍(lán)光LED專(zhuān)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(zhuān)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