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阳东纳谷五金电器有限公司 开发部光电组光电知识--LED 知识之一
LED 灯及其发光原理
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 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。 LED 结构图如下图所示
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， p 型半导体和 n 型半导体 在 之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 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 1.5-24V 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
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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（λp=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（λp=555nm） ，黄光（λp=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（λp=615nm）的光效达到 100 流明/瓦，而后者制成的 LED 在绿色区域（λp=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 140 瓦白炽灯作为光源，它产生 2000 流明的白光。经红色滤光片后，光 损失 90%，只剩下 200 流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds 公司 公司采用了 18 个红色 LED 光源， ， 包括电路损失在内，共耗电 14 瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领 域。1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快（纳秒级） ，可以及早让尾 随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 另外，LED 灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。 五、白光 LED 的开发 对于一般照明而言， 人们更需要白色的光源。 1998 年发白光的 LED 开发成功。 这种 LED 是将 GaN ，高温烧结制 芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN 芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm） 成的含 Ce3+的 YAG 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射， 峰值 550nm。 蓝光 LED 基片安装在碗形
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反射腔中，覆盖以混有 YAG 的树脂薄层，约 200-500nm。 LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收， 另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于 InGaN/YAG 白色 LED，通过 改变 YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温 3500-10000K 的各色白光。 （如 下图所示）
表一列出了目前白色 LED 的种类及其发光原理。 目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上 YAG 黄色荧光粉，其最好的发光效率约为 25 流明/瓦，YAG 多为日本日亚公司 日本日亚公司的进口，价格在 2000 日本日亚公司 元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以 ZnSe 为材料的白光 LED，不过发光效率较差。 从表中也可以看出某些种类的白色 LED 光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和 石榴石结构的黄色粉， 在未来较被看好的是三波长光， 即以无机紫外光晶片加 R.G.B 三颜色荧光粉， 用于封装 LED 白光， 预计三波长白光 LED 今年有商品化的机机会
。 但此处三基色荧光粉的粒度要求 比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。 表一白色 LED 的种类和原理 芯片数 1 激发源 蓝色 LED 蓝色 LED 蓝色 LED 紫外 LED 2 3 蓝色 LED 黄绿 LED 蓝色 LED 绿色 LED 红色 LED 发光材料 InGaN/YAG InGaN/荧光粉 ZnSe InGaN/荧光粉 InGaN、GaP InGaN AlInGaP
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发光原理 InGaN 的蓝光与 YAG 的黄光混合成白光 InGaN 的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混色成白光 InGaN 的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光 将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色 LED 将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色 LED
多个
多种光色 的 LED
InGaN、GaP AlInGaP
将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色 LED
采用 LED 光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大 量的电能。近期，白色 LED 已达到单颗用电超过 1 瓦，光输出 25 流明，也增大了它的实用性。表 二和表三列出了白色 LED 的效能进展。 表二单颗白 LED 的效能进展 年份 1998 1999 2001 2005 六、业界概况 在 LED 业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度 LED，以及蓝紫光 半导体激光（Laser Diode；LD） ，是业界握有蓝光 LED 专利权的重量级业者。在日亚化学取得兰色 LED 生产及电极构造等众多基本专利后， 坚持不对外提供授权， 仅采自行生产策略， 意图独占市场， 使得蓝光 LED 价格高昂。但其他已具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系 LED 业者认为，日 亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光 LED 竞争中，逐步被欧美及其他国家的 LED 业者抢得先机， 届时将对整体日本 LED 产业造成严重伤害。 因此许多业者便千方百计进行蓝光 LED 的研发生产。 目 前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商 Cree，全球 3 大照明厂奇 日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普， Cree， 日亚化学和住友电工外 HP、Siemens、 Research、 异、飞利浦、欧司朗以及 HP、Siemens、 Research、EMCORE 等都投入了该产品的研发生产，对促 飞利浦、 进白光 LED 产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。 发光效能（流明/瓦） 5 15 25 50 相若白炽灯 相若卤钨灯 估计 备注 表三 长远发展目标 单颗白色 LED 输入功率 发光效能 输出光能 10 瓦 100 流明/瓦 1000 流明/瓦
光电组 2005－6－4
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