LED的概述

半导体照明技术是当今最有发展潜力的高科技领域之一,发光二极管(Light-Emitting Diode,简称为LED)是其核心的技术,LED作为一种固体光源,可以把电能转化为光能和辐射能,有PN结芯片、电极和光学系统组成其结构。最初,LED多用于指示灯、显示发光二极管板

         半导体照明技术是当今最有发展潜力的高科技领域之一,发光二极管(Light-Emitting Diode,简称为LED)是其核心的技术,LED作为一种固体光源,可以把电能转化为光能和辐射能,有PN结芯片、电极和光学系统组成其结构。最初,LED多用于指示灯、显示发光二极管板等,随着研究的不断进步,白光LED产品已经广泛应用于背光源、彩屏、室内照明三大方面。因此,白光LED凭借其特有的优势,在照明行业中有广泛的发展前景。

1.1.1LED的发光原理

      LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs、 GaP、GaAsP等半导体材料制备的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。而且,在条件允许下,它还有发光特性,可以将电能高效的转化为光能。在正向电压下,pn结势垒区电场减弱,漂移运动削弱,使漂移流小于扩散流,N区的电子就会注入到P区,P区的空穴会注入到N区。进入对方区域的少数载流子和多数载流子产生复合而发光,这就是发光二极管的工作原理,如图1-1所示。
LED的概述
 图1-1  LED工作原理图
 
       发光二极管的颜色不同,是由于不同的半导体材料的能带间隙不同造成的。光的波长决定其颜色,当电子和空穴发生复合反应后,释放出能量,能量越大,发射出的波长越短。

1.1.2LED的发展

         一开始的时候,LED只能发射出一种红光,可以显示文字等;随着64级、256级灰度的双基色视频屏的发现,LED作为显示屏逐渐走上舞台。当下,LED的功能更多,可以发射各种光,包括可见光、紫外以及红外线。目前,在汽车行业、电子行业、照明行业,都能随处看到LED的身影。表1-1为LED的发展情况。
表1-1  LED的发展历史

1907年 Henry Joseph Round在实验中观察到金刚砂中发生了电致发光的物理现象,不过因为这次发出的光太暗,实际的应用性不强,所以停止了本次实验。
1936年 George Destriau在一份报告中介绍了关于硫化锌粉发光的情况,伴随着电流的应用,诞生了“电致发光”这个概念
20世纪60年代中期 商用化红光LED第一次被研发成功,紧接着黄光LED也被研发出来。不过当时的LED发光效率不高,红光LED的发光效率也仅为0.1lm/W,价格45美元,1962年首次销售的红外LED,发光波长870nm,价格130美元。1968年AlGaAs外延膜生长法成功后,便实现了AlGaAs/GaAs系的高效率红外LED,该系列LED正被广泛用于控制电器的遥控装置。
1968年 通过使用氮掺杂工艺,用GaAsP材料制得的LED发光效率提高到1.0 lm/W,而且可以发出红、橙、黄三种色光,标志着LED的研发取得了突破性的进展。三年之后,使用GaP材料制得了绿光LED,并且发光效率也达到1.0 lm/W。
20世纪80年代早期 LED技术有了巨大突破,第一代具备高亮度特征的AlGaAs LED研发出来,其红色光的光效达到10lm/W,在它之后,黄光、绿光LED也相继诞生。
1990年到2001年 使用AlInGaP制得的高亮度LED技术逐渐成熟,其光效被提升到 40—50 lm/w。1992年,日本日亚化学公司的中村休二先生成功研发出蓝光LED。
20世纪90年代末 白光LED被成功研制出来。
 

 
         科学研究的不断探索和发现,LED的技术有了飞跃发展,不仅成本降低,而且光效也在一直在提高。控制技术和软件的不断更新变化,也大大便利了LED的照明应用。这都展示着LED在照明领域将会有广阔的应用前景。

1.1.3LED的特点

        LED是一种在正向电压下,将电能转化光能的半导体发光器件,是照明史上继白炽灯、荧光灯、HID之后第四代新型光源。有如下优点:
(1)发光效率高,能量消耗低。目前商用LED发光效率为100-120lm/W,远远大于白炽灯,与荧光灯相当甚至超过荧光灯。
(2)寿命长。与其它光源相比,有更高的使用寿命,可达100000小时。如果每天点亮4小时,可使用将近70年。
(3)结构牢固。LED是用环氧树脂或硅胶封装,结构中没有玻璃泡、灯丝等易损部件,抗震动、冲击能力墙强。
(4)响应时间快。白炽灯需要预热140-200ms才能达到设定的亮度,而LED无需热启动时间,响应时间大约60ns。
(5)体积小、重量轻、应用灵活,容易做成薄型灯具和产品,减少安装空间。
(6)环保,LED不含有毒材料,不会对环境造成污染,是一种绿色光源[3]
LED存在的问题:
    与白炽灯相比,LED视角较窄,视角度小于180 度。显色性较差,成本高。自身散热问题没有好的解决方法,以致大功率LED的散热性能比较差。

1.1.4白光LED的实现方法

    目前白光LED 器件产生白光的方式通常有三种方法:
(1)二基色荧光粉转换白光LED
      设计二基色白光LED的直接途径是用发射蓝光的AlInGaN芯片和发射黄光的荧光粉。典型的器件结构及如图1-2所示.蓝光芯片被放置在内部的反射杯里,将环氧树脂和荧光粉颗粒混合以后涂覆在其外侧作为转换层。整个部件都处在透明树脂的保护中,荧光粉层会将一部分蓝光吸收并将其转换为黄光,剩下的蓝光会进入到环氧树脂中,通过与黄光混合变成白光。  
LED的概述
图1-2  蓝光LED激发荧光粉形成白光
 
(2)多基色荧光粉转换白光LED
      三基色荧光粉转换白光LED能改善发光效率和显色性。也可以通过使用被AlInGaN芯片吸收的部分蓝光以及一定量的绿光和红光两种荧光粉来实现基色光源(450nm/540nm/610nm)的最优组合。
(3)紫外LED激发多基色荧光粉
      多基色白光LED的另一种方法是采用紫外LED芯片激发一组荧光粉。具体到紫外激发白光LED,其光谱的可见部分全部都是荧光粉产生的[4]

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