发光二极管概论

发光二极管概论发光二极管，是一种固态的半导体器件，能直接高效率地把电转化为光，又简称为LED（LightEmittingDiode）。LED是由III-W族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结，因此它具有一般P-N结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性等。LED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I960年。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。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。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。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。不同的 半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。LED参数普通发光二极管的正向饱和压降为1.6V-2.1V,正向工作电流为5-20mA。1．极限参数的意义（1） 允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2） 最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3） 最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2．电参数的意义正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6・IFm以下。正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4〜3V。在外界温度升高时，VF将下降。V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IRvlOuA以下。LED分类1、按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。2．按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为屮2mm、屮4.4mm、屮5mm、屮8mm、屮10mm及屮20mm等。国外通常把屮3mm的发光二极管记作T-1；把屮5mm的记作T-1(3/4)；把屮4.4mm的记作T-1(1/4)。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°〜20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°〜45°。散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°〜90°或更大，散射剂的量较大。3．按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。4．按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd)；把发光强度在10〜100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

LED光源的特点高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。多变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256X256X256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点，适合于易变的环境 。LED的历史电致发光是在1907年由HenryJosephRound在一块碳化硅上观察到的。但由于所发出的光太过于暗淡和在当时碳化硅实验上的困难最后也就没有继续进行研究了。到了1920后期由德国物理学家伯纳德•古登和RobertWichardPohl从掺杂了铜的硫化锌中得到了磷材料进一步开展了实验，但最后都是所发出的光太过暗淡而又一次停止了下来。到了 1936年，George

Destriau发表了一份关于硫化锌粉发光的报告，最终被广泛认为是他创造了“电致发光”这个术语。在1950年英国科学家使用了砷化镓，从而在I960年初造出了第一个“现代”的发光二极管，但只可以发出不可见和红外线红色光，在 I960年末期才制造出第一个可见光的发光二极管，到了 1970年中期磷化镓本身就被用作为发光体并且很快就发出了一个很淡的绿光。发光二极管使用双磷化镓芯片就要可以黄色光。黄色光发光二极管也大概是在这个时候由俄罗斯人使用碳化硅制造出来。在20世纪80年代中期使用了镓铝砷化磷制造第一代超亮发光二极管，首先是红色光然后是黄色光最后是绿色光。到了 90年代初期使用铟镓铝磷制造可发出橙红光，橙色光，黄色光和绿光的超高亮发光二极管。第一个蓝色光发光二极管也是在 1990年是使用了碳化硅制造了出来，到了90年代中期才使用了氮化镓制造出超亮蓝色光发光二极管，随后很快也使用了氮化铟镓制造出高强度绿光和蓝光发光二极管。超亮蓝光芯片是白光发光二极管的基础，发光芯片使用荧光磷涂层，这些磷吸收了蓝色光并再以白色光发出。最后一直都是使用同样技术来制造出任何颜色的可见光。由此可知，发光二极管的发展是一个长而慢的进程，从红外线光开始。事实上，现在大多数的发光二极管发出不只是纯蓝紫色而是紫外线“黑色”光。LED发展前景当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但国内在大尺寸 LCD背光和

汽车前照灯方面仍显落后。当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕 LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。在国际上，处于LED专利主导地位的厂商有Nichia（日亚化学）、ToyodaGosei（丰田合成）、CREE（科锐）、PhilipsLumileds（飞利浦流明）、Osram（欧司朗）等知名企业。据悉，LED应用的相关专利国家中，日本占全球27.9%，中国仅占9.34%。我国专利数量远远低于日本、美国，尤其在LED产业链中上游的外延技术、芯片结构等领域，专利申请数量甚至低于德国、台湾。国外企业对专利的重视还表现在维护上，如日本Nichia曾试图以专利欲独占蓝光LED市场，用各种手段来维护蓝光LED市场，并且它曾对所研制成功的GaN材料不进行对外销售，或只限在日本境内出售目前。LED行业发展最好的国家分别有日本、美国、德国等，中国台湾也有较好发展，台湾市场份额仅位居于日本，排名世界第二。台湾曾以低价位芯片与低价位产品击败日本，迫使日本朝高价位芯片与高单价产品发展，并且台湾抓住机遇，结合多年的经验综合发展下游封装、中上游外延片和芯片领域，并不断扩展。。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。LED户外照明不仅广泛应用于城市景观，还用于隧道等。目前，关注率最高的是LED路灯的应用。洛杉矶将五年之内装上140,000盏LED路灯，而宾夕法尼亚州两城市安布勒（Ambler）和森伯里（Sunbury）这两座城市路

灯也全部更换为LED路灯，其他国家普遍使用LED路灯，如日本、韩国等。在国内，东莞计划三年道路照明全部应用LED路灯，海南则计划五年实现。北京奥运会、上海世博会，广州亚运会的基础建设大量使用了LED户外照明灯，如广州亚运会亚运场馆的主场馆，以及周边道路共新建了 70000盏LED路灯，佛山分赛场岭南明珠体育馆周边12条主干道，12000盏高压钠灯全部改造成LED路灯。LEDinside研究部数据表明：2010年，全球LED路灯的装置数量将达约87万盏，其中我国LED路灯市场将增长60%并达到40万盏以上。实际上,我国每年路灯市场需求