LED發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理

一、LED發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。

LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體（一種在硅或鍺等半導(dǎo)體材料中加入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價元素的晶片）和N型半導(dǎo)體（一種在在硅或鍺等半導(dǎo)體材料中加入微量的磷、銻、砷等五價元素的晶片）組成的晶片（兩種半導(dǎo)體緊緊粘貼在一起），在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間的過渡層，稱為p-n結(jié)。

在P型半導(dǎo)體中，空穴(晶體原子之間共價鍵上的價電子脫離后而形成的空洞。帶正電)叫多數(shù)載流子（導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運動（形成電流）來實現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子），電子(帶負電)叫少數(shù)載流子。而在N型半導(dǎo)體中，空穴(帶正電)叫少數(shù)載流子，電子(帶負電)叫多數(shù)載流子。加電后，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面就會出現(xiàn)一個具有特殊導(dǎo)電性能的薄層，也就是常說的PN結(jié)(PNJunctionTransistors)。PN結(jié)可以對P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的擴散運動產(chǎn)生阻力，當對PN結(jié)施加正向電壓時，電流從LED的陽極流向陰極，PN結(jié)中少數(shù)載流子與多數(shù)載流子進行復(fù)合，多余的能量就會以光子的形式釋放出來，也就是我們所看到的光。從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。而在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LED。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。光的強弱與電流有關(guān)。

通過對其中發(fā)光材料的研究，人們逐漸開發(fā)出各種光色、光效率越來越高的LED元件。通常晶片附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來，所以能起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

二、LED發(fā)光顏色

普通單色發(fā)光二極管的發(fā)光顏色與發(fā)光的波長有關(guān)，而發(fā)光的波長又取決于制造發(fā)光二極管所用的半導(dǎo)體材料。

光，—般是指可見光，可見光光譜的波長范圍為380nm～760nm（說明：可見光的波長范圍占電磁波的波長范圍一少部分，可以認為光是一種電磁波，但光又有區(qū)別于一般電磁波的特性，所以光具有波粒二象性，即光既具有波的特性，如干涉、衍生等現(xiàn)象；同時又具有一般粒子束的特性。

可見光透過三棱鏡可以呈現(xiàn)出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色組成的光帶，這光帶依次排列的圖案稱為光譜。其中紅光波長最長，紫光波長最短，其它各色光的波長則依次介于其間?？梢姽獾墓庾V中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的復(fù)合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。

紅640—780nm

橙640—610

黃610—530

綠505—525

藍505—470

紫470—380

紅外線：在可見光紅色光以外(>0.76微米)的人眼感覺不到的光線，紅外線（近紅外線，波長為0.75～1.50μm之間；中紅外線，波長為1.50～6.0μm之間；遠紅外線，波長為6.0～l000μm 之間。）和無線電波；波長短于紫色光的(<0.4微米)有紫外線。

紫外線：在可見光紫色光以外的人眼感覺不到的光線，紫外線是電磁波譜中波長從0．01—0．40微米（可見光紫端到X射線間）輻射的總稱。

短波紫外線：簡稱UVC。是波長200NM－280NM的紫外光線。短波紫外線在經(jīng)過地球表面同溫層時被臭氧層吸收。不能達到地球表面，對人體產(chǎn)生重要作用（如：皮膚癌患者增加）。因此，對短波紫外線應(yīng)引起足夠的重視。（致癌）

中波紫外線：簡稱UVB。是波長280NM－320NM的紫外線。中波紫外線對人體皮膚有一定的生理作用。此類紫外線的極大部分被皮膚表皮所吸收，不能在滲入皮膚內(nèi)部。但由于其階能較高，對皮膚可產(chǎn)生強烈的光損傷，被照射部位真皮血管擴張，皮膚可出現(xiàn)紅腫、水泡等癥狀。長久照射皮膚會出現(xiàn)紅斑、炎癥、皮膚老化，嚴重者可引起皮膚癌。中波紫外線又被稱作紫外線的曬傷（紅）段，是應(yīng)重點預(yù)防的紫外線波段。（曬傷）

長波紫外線：簡稱UVA。是波長320NM－400NM的紫外線。長波紫外線對衣物和人體皮膚的穿透性遠比中波紫外線要強，可達到真皮深處，并可對表皮部位的黑色素起作用，從而引起皮膚黑色素沉著，使皮膚變黑，起到了防御紫外線，保護皮膚的作用。因而長波紫外線也被稱做“曬黑段”。長波紫外線雖不會引起皮膚急性炎癥，但對皮膚的作用緩慢，可長期積累，是導(dǎo)致皮膚老化和嚴重損害的原因之一。（曬黑、老化）

三、LED發(fā)光應(yīng)用

紫外光led：

就是放出的光在紫外線的頻率范圍里的led，可用于驗鈔機上是紫外線燈，LED材料的帶隙越寬，其發(fā)光波長越短。氮化鎵鋁和氮化鋁LED可發(fā)出紫外光。他看起來是淡藍的，是因為它除了發(fā)出紫外線外還發(fā)出少量藍光和紫光，真正對驗鈔有用的是他發(fā)出的紫外線，不是我們看到的普通紫光與藍光。紫外線我們是看不到的。

白光LED：

因為白光并非單色光（目前LED不能直接產(chǎn)生白色的光）所以人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，白光LED的工藝結(jié)構(gòu)和白色光源。 對于一般照明，在工藝結(jié)構(gòu)上，白光LED通常采用兩種方法形成，第一種是利用“藍光技術(shù)”與熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產(chǎn)生白光器件。第一種方法在1998年白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變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。這種通過藍光LED得到白光的方法，構(gòu)造簡單、成本低廉、技術(shù)成熟度高，因此運用最多。第二種方法采用不同色光的芯片封裝在一起，通過各色光混合而產(chǎn)生白光。

全彩LED：

通常LED實現(xiàn)各種顏色是通過混色實現(xiàn)的，例如LED全彩顯示屏將紅色、綠色、藍色三個發(fā)光二極管按一定規(guī)則排列，利用紅、綠、籃三基色原理，在計算機技術(shù)控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256×256×256＝16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。

另外也有單個LED內(nèi)封裝集成三種發(fā)光LED芯片（紅色、綠色、藍色），并且按一定的規(guī)則排列，有多個引線，從而實現(xiàn)單個LED全彩，通過混色調(diào)節(jié)可以產(chǎn)生各種顏色及白光，這種LED通常稱為變色發(fā)光二極管，變色發(fā)光二極管是能變換發(fā)光顏色的發(fā)光二極管。變色發(fā)光二極管發(fā)光顏色種類可分為雙色發(fā)光二極管、三色發(fā)光二極管和多色（有紅、藍、綠、白四種顏色）發(fā)光二極管。

變色發(fā)光二極管按引腳數(shù)量可分為二端變色發(fā)光二極管、三端變色發(fā)光二極管、四端變色發(fā)光二極管和六端變色發(fā)光二極管。

特殊LED：

根據(jù)應(yīng)用的需要某些LED當改變電流可以實現(xiàn)變色，通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。

四、LED節(jié)能效率對比

白熾燈和鹵鎢燈，其光效為12～24流明／瓦；

熒光燈和HID燈的光效為50～120流明／瓦；

白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明／瓦，到了1999年已達到15流明／瓦，這一指標與一般家用白熾燈相近，而在2000年時，白光LED的光效已達25流明／瓦，這一指標與鹵鎢燈相近。2009-05 Cree公司該款冷白光LED總光通量達139 lm，在350mA電流輸入下，發(fā)光效率達132 lm/瓦，在1A電流輸入下，發(fā)光效率達345 lm/瓦，芯片尺寸為3.45x3.45mm，業(yè)界普遍認為LED照明如要切入室內(nèi)照明主燈源市場，在技術(shù)部分，必須要能以150 lm/W量產(chǎn)品為目標。

普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低（燈的熱效應(yīng)白白耗電），壽命短，維護工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長（連續(xù)工作時間10000小時以上），幾乎無需維護、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、對環(huán)境無污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點。

五、LED特點說明：

高節(jié)能：

LED直流驅(qū)動，超低功耗（單管0.03-0.06 瓦）電光功率轉(zhuǎn)換接近100%，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。

壽命長：LED光源有人稱它為長壽燈，意為永不熄滅的燈。固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。

利環(huán)保：環(huán)保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

高新尖：與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品，成功融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品是半導(dǎo)體光電器件“高新尖”技術(shù)具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點

體積小

LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。

光線健康

LED照明燈不具有紫外線和紅外線屬于冷光源，汞燈是利用電能轉(zhuǎn)化為熱能所以有紫外線和紅外 一定程度影響身體。

堅固耐用

LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分，這些特點使得LED可以說是不易損壞的。

LED的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途，?？梢灶A(yù)見不久的將來，白光LED定會進入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。

六、LED的分類

1． 按發(fā)光管發(fā)光顏色分

按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。

2． 按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。

由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。

從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

（2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

3． 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分

按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。

4． 按發(fā)光強度和工作電流分

按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。

除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。