发光二极管_紫光二极管

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发光二极管

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，是一种半导体组件。初时多用作为指示灯、显示板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。1955年，美国无线电公司（Radio Corporation of America）的鲁宾.布朗石泰（Rubin Braunstein）（1922年生）首次发现了砷化镓(GaAs)及其它半导体合金的红外放射作用。1962年，通用电气公司的尼克.何伦亚克（Nick HolonyakJr.）（1928年生）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。

发光二极管LED的发光原理

发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先通过注入或掺杂等工艺以产生pn结结构。与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（负极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向pn结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的方式释放出能量。

它所发出的光的波长，及其颜色，是由组成pn结的半导体物料的禁带能量所决定。由于硅和锗是间接禁带材料，在这些材料中电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极管不能发光。发光二极管所用的材料都是直接禁带型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。

在发展初期，采用砷化镓(GaAs)的发光二极管只能发出红外线或红光。随着材料科学的进步，人们已经制造出可发出更短波长的、各种颜色的发光二极管。

以下是传统发光二极管所使用的无机半导体物料和所它们发光的颜色：

铝砷化镓(AlGaAs)绿色 磷化铟镓铝(AlGaInP)红色、橘红色、黄色 磷化镓(GaP)绿色、翠绿色、蓝色 铟氮化镓(InGaN)蓝色 硅(Si)(用作衬底)蓝色 硒化锌(ZnSe)紫外线

氮化铝(AlN), 铝氮化镓(AlGaN)-波长为远至近的紫外线

蓝光与白光LED

用GaN形成的蓝光LED1993年，当时在日本Nichia Corporation(日亚化工)工作的中村修二（Shuji Nakamura）发明了基于宽禁带半导体材料氮化稼（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光LED，这类LED在1990年代后期得到广泛应用。理论上蓝光LED结合原有的红光LED和绿光LED可产生白光，但现在的白光LED却很少是这样造出来的。

现时生产的白光LED大部分是通过在蓝光LED(near-UV,波长450nm至470nm)上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层制成的，这种黄色磷光体通常是通过把掺了铈的YttriumAluminumGarnet(Ce3+:YAG)晶体磨成粉末后混和在一种稠密的黏合剂中而制成的。当LED芯片发出蓝光，部分蓝光便会被这种晶体很高效地转换成一个光谱较宽（光谱中心约为580nm）的主要为黄色的光。(实际上单晶的掺Ce的YAG被视为闪烁器多于磷光体。)由于黄光会刺激肉眼中的红光和绿光受体，再混合LED本身的蓝光，使它看起来就像白色光，而其的色泽常被称作“月光的白色”。这种制作白光LED的方法是由NichiaCorporation所开发并从1996年开始用在生产白光LED上。若要调校淡黄色光的颜色，可用其它稀土金属铽或钆取代Ce3+:YAG中掺入的铈(Ce)，甚至可以以取代YAG中的部份或全部铝的方式做到。

而基于其光谱的特性，红色和绿色的对象在这种LED照射下看起来会不及阔谱光源照射时那么鲜明。

另外由于生产条件的变异，这种LED的成品的色温并不统一，从暖黄色的到冷的蓝色都有，所以在生产过程中会以其出来的特性作出区分。

另一个制作的白光LED的方法则有点像日光灯，发出近紫外光的LED会被涂上两种磷光体的混合物，一种是发红光和蓝光的铕，另一种是发绿光的，掺杂了硫化锌(ZnS)的铜和铝。但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂裂化变质，所以生产难度较高，而寿命亦较短。与第一种方法比较，它效率较低而产生较多热(因为StokesShift前者较大)，但好处是光谱的特性较佳，产生的光比较好看。而由于紫外光的LED功率较高，所以其效率虽比较第一种方法低，出来的亮度却相若。

最新一种制造白光LED的方法没再用上磷光体。新的做法是在硒化锌(ZnSe)基板上生长硒化锌的磊晶层。通电时其活跃地带会发出蓝光而基板会发黄光，混合起来便是白色光。

发光二极管的其它颜色

近期开发出来的LED颜色包括粉红色和紫色，都是在蓝光LED上覆盖上一至两层的磷光体造成。粉红色LED用的第一层磷光体能发黄光，而第二层则发出橙色或红色光。而紫色LED用的磷光体发橙色光。另外一些粉红色LED的制造方法则存在一定的问题，例如有些粉红色LED是在蓝光LED涂上荧光漆或指甲油，但它们有机会剥落；而有些则用上白光LED加上粉红色磷光体或染料，可是在短时间内颜色会褪去。

价钱方面，紫外线、蓝色、纯绿色、白色、粉红色和紫色LED是较红色、橙色、绿色、黄色、红外线LED贵的，所以前者在商业用途上比较逊色。发光二极管是封装在塑料透镜内的，比使用玻璃的灯泡或日光灯更坚固。而有时这些外层封装会被上色，但这只是为了装饰或增加对比度，实质上并不能改变发光二极管发光的颜色。

LED光源的特点

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。

•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。•效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% •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。

•稳定性： 10万小时，光衰为初始的50%。

•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。•对环境污染：无有害金属汞。

•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。

•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。LED发热问题

与传统光源一样，半导体发光二极体（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等，最终大概只有30-40%的输入电能转化为光能，其余60-70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。

LED发热对寿命的影响

一般来说，LED灯工作是否稳定，品质好坏，与灯体本身散热至关重要，目前市场上的高亮度LED灯的散热，常常采用自然散热，效果并不理想。LED光源打造的LED灯具，由LED、散热结构、驱动器、透镜组成，因此散热也是一个重要的部分，如果LED不能很好散热、它的寿命也会受影响。

1、热量管理是高亮度LED应用中的主要问题

由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高启动能，热量特别容易在p型区域中产生，这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散；LED器件的散热途径主要是热传导和热对流；Sapphire衬底材料极低的热导率导致器件热阻增加，产生严重的自加热效应，对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。

2、热量对高亮度LED的影响

热量集中在尺寸很小的芯片内，芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和萤光粉激射效率下降；当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明，元件温度每上升2℃，可靠性下降10%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。

3、芯片尺寸与散热的关系

提高功率LED的亮度最直接的方法是增大输入功率，而为了防止有源层的饱和必须相应地增大p-n结的尺寸；增大输入功率必然使结温升高，进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从p-n结导出的能力、在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不变及等同的散热条件下，单独增加芯片的尺寸，结区温度将不断上升

LED散热的方法

1.铝散热鳍片：这是最常见的散热方式，用铝散热鳍片做为外壳的一部分来增加散热面积。

2.导热塑料壳：在塑料外壳注塑时填充导热材料，增加塑料外壳导热、散热能力。

3.表面辐射散热处理：灯壳表面做辐射散热处理，简单的就是涂抹辐射散热漆，可以将热量用辐射方式带离灯壳表面。

4.空气流体力学：利用灯壳外形，制造出对流空气，这是最低成本的加强散热方式。

5.风扇：灯壳内部用长寿高效风扇加强散热，造价低，效果好。不过要换风扇就是麻烦些，也不适用于户外，这种设计较为少见。

6.导热管：利用导热管技术，将热量由LED芯片导到外壳散热鳍片。在大型灯具，如路灯等是常见的设计。

7.液态球泡：利用液态球泡封装技术，将导热率较高的透明液体填充到灯体球泡内。这是目前除了反光原理外，唯一利用LED芯片出光面导热、散热的技术。

8.灯头的利用：在家用型较小功率的LED灯，往往利用灯头内部空间，将发热的驱动电路部分或全部置入。这样可以利用像螺口灯头这样有较大金属表面的灯头散热，因为灯头是密接灯座金属电极和电源线的。所以一部分热量可由此导出散热。9.导热散热一体化--高导热陶瓷的运用：灯壳散热的目的是降低LED芯片的工作温度，由于LED芯片膨胀系数和我们常用的金属导热、散热材料膨胀系数差距很大，不能将LED芯片直接焊接，以免高、低温热应力破坏LED芯片。最新的高导热陶瓷材料，导热率接近铝，膨胀系可调整到与LED芯片同步。这样就可以将导热、散热一体化，减少热传导中间环节。

LED驱动电路

与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。LED的正向伏安特性如图所示：

所以，LED伏安特性的数字模型可用下式表示 VF=Vturn-on+RsIF+(ΔVF/ΔT)(T-25℃)(1)其中，Vturn-on 是LED的启动电压 Rs 表示伏安曲线的斜率 T 环境温度

ΔVF/ΔT是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/℃。

从LED的伏安曲线及数字模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。

LED驱动电路已广泛地运用于照明，汽车电子，路标，显示背光等领域。在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化，所以LED驱动电路中，引入了电压或电流反馈控制环节。用户可以根据需要改变负载LED阵列形式和LED个数，得到不同的输出功率。同时该驱动电路也克服了因输入电压，环境温度等因素而导致LED灯光的颜色易变动等弊端，功率因数可达到0.9以上，THD可做到20%以下，寿命可达到50000小时以上，同时还可完成从100%到1%的调光功能，并且还具备过压和过流保护功能。

发光二极管LED的应用领域

LED 的应用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。

1、汽车

以汽车內装使用包括了仪表板、音箱等指示灯，及汽车外部(第三刹车灯、左右尾灯、方向灯等)，目前欧洲系列车种包括奥迪、宝马、福斯等品牌全系 列采用高亮度 LED，而车厂中，丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度 LED，其他各车厂新车，也在陆续采用。若再加上前后车灯、刹车灯，交通标志等，与交通有关 的市场，商机非常庞大。在交通标志灯市场方面，全球约有 2000 万座交通标志灯，若每年更新 200 万座，商机可延续 10 年。

2、背光源

主要是手机背光光源方面，是 SMD 型产品应用的最大市场。虽然近两年手机的增长速度已明显趋缓，但全年仍有 4 亿支水准，以 1 支手机要 LED 背 光源 2 颗、按键 6 颗 SMD LED 计，一年保守 4 亿支手机需求约 32 亿颗 LED。最近韩国蓝色背光手机风潮，使蓝光 LED 的市场供不应求，显见手机在 LED 应用市场中仍占有举足轻重的地位。继蓝光手机后，目前市场已是彩屏手机天下。以往彩屏手机是极高端产品，不过今年主要零组件价格下滑，使得彩屏手机和单色手机的价差缩小，加上厂商的大力，手机的换型潮悄然发生。

3、显示屏

LED 显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体 ― 多彩霓虹灯、象素管电视墙、四色磁翻板相比较，以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高等优势，已广泛应用于各行各业。

在美国内华达州拉斯维加斯Fremont Street Experience的LED显示板，是目前在世界上最大的，长度为1,500 英尺。发光二极管显示板所使用的LED有两种形式：传统炮弹型发光二极管和表贴型(SMD)，大部分户外、室内显示屏都由多颗个别封装的发光二极管所构成，红、绿、蓝三种颜色的发光二极管形成一组，驱动后形成一个方形的全彩画素，分辨率由画素间距决定，间距为画素的中心点到另一邻近画素中心点的距离。世界最大的发光二极管显示屏长度超过1,500英尺，位于美国内华达州拉斯维加斯的Fremont Street Experience。

多数市场上的室内显示屏都用表贴SMD技术制造(现下延伸到室外市场的趋向)。SMD像素点包括红色、绿色、和蓝色二极管灯上的芯片组，然后焊接在PCB板上。各自的二极管比针头小，并一起被非常接近地设置。这种灯做出来的显示屏相对与传统炮弹型发光二极管做的显示屏，有更好的颜色一致型和大约减少25%的最小视距。

室内使用的LED显示屏─一般须要一个以SMD技术制造的屏幕，且至少要有600 cd/m2(烛光每平方米, nits)亮度。这通常足够(甚至过剩)用在公司和零售店，但是在高亮度的环境，屏幕的亮度可能是可见度的关键。时尚和自动展示是高亮度发光二极管显示屏的两个佳例，舞台灯光则可能需要更亮的发光二极管。相对而言，当屏幕快照出现在电视上时，低亮度、低色温(通常显示器的白点色温为6500-9000K，这比通常的电视生产集要蓝得多）则是必须的。

室外使用─多数情况下需要4000 nits亮度，一些更高亮度的型号提供的可达10000 nits的光强，甚至比阳光直射在屏幕上更明亮。

大型LED显示屏是传统应用领域中成长最快的领域，其主要原因是随着LED色彩表现力和亮度的提高，大型LED全彩显示屏的显示能力和显示效果已经今非昔比，这一点可以从我们身边正逐步出现的新型LED显示屏可以看出。目前LED户外全彩显示屏的视觉效果已经可以用震撼来形容，而且省电、寿命长、模块化易于维护。

行内人士认为该类显示屏未来会大量出现在机场、车站、图书馆、体育馆和各大城市的商业中心作为的大型显示之用;而且该类产品还会在商业广告上获得极大的运用。一种是建筑物屋顶广告牌，另一种是机场沿线的大型广告牌，都可以改头换面为LED显示屏，如果配合太阳能电池和无线控制装置，这样的广告牌甚至可以以分众传媒的播出形式出现，发布内容随时可以调整，改变以往该类广告牌内容不宜更新的缺点，大大提高广告投放量和投放效率。

4、电子设备与照明

LED 以其功耗低，体积小，寿命长的特点，已成为各种电子设备指示灯的首选，目前几乎所有的电子设备都有 LED 的身影。

LED 照明已逐渐发展至商品化的初步阶段，唯在使用寿命及价格上仍有改进空间。按照厂商预测，最快在 2004 年，白光 LED 发光效率即可达到与 20W 日光灯管相 同的 60lm ／ W，并在 2010 年提升至 100 lm ／ W，足以取代 40W 日光灯管。至于单价则将从每颗 100 日元左右，以每年 20 ％速度向下降低。而价格的快速下滑使白光 LED 的应用面很快地增长，不过未来最被看好的还是能取代白炽钨丝灯泡及日光灯的白光 LED。

XLamp CXA2011 LED 是首个可应用于 85 摄氏度的旋压式 LED 阵列，在单一易用封装中实现高流明输出。CXA2011 LED 适用于功率（11 至 45 瓦特）、照明输出及能效范围广泛的应用。从 800 流明、60W A19 替换灯泡到 2000+ 流明筒灯及商业外墙套件，CXA2011 LED 可大大简化产品设计，并加快上市步伐。CXA2011 LED 可轻松集成于各类产品，无需回流焊接，单一组件却可在 85 摄氏度的工作温度下提供近 4000 流明的冷白灯(5000 K)。CXA2011 LED 提供三档选项，其中 EasyWhite 2 级色档的 LED 间色泽一致性足可媲美白炽灯，堪称业界之最。