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探索发光二极管的秘密

【导读】2014年的诺贝尔物理学奖授予了三位日本裔物理学家。获奖的三位日本裔物理学家对白光发光二极管的发明做出了重大贡献,使得白光发光二极管作为新型照明光源开始普及。

探索发光二极管的秘密

发光二极管,通常称为LED,是在电子学世界里面的真正无名英雄。它们做了许多不同工作和在各种各样的设备都可以看见它的存在。

探索发光二极管的秘密

什么是二极管?

二极管是半导体设备中的一种最常见的器件,大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成(原子和其它物质),发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼,在纯铝砷化稼中,所有的原子都完美的与它们的邻居结合,没有留下自由电子连接电流。

在搀杂物质中,额外的原子改变电平衡,不是增加自由电子就是创造电子可以通过的空穴。这两样额外的条件都使得材料更具传导性。

带额外电子的半导体叫做N型半导体,由于它带有额外负电粒子,所以在N型半导体材料中,自由电子是从负电区域向正电区域流动。

带额外“电子空穴”的半导体叫做P型半导体,由于带有正电粒子。电子可以从另一个电子空穴跳向另一个电子空穴,从从负电区域向正电区域流动。

二极管是由N型半导体物质与P型半导体物质结合,每端都带电子。这样排列使电流只能从一个方向流动。

当没有电压通过二极管时,电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体,从而形成一个损耗区。

在损耗区中,半导体物质会回复到它原来的绝缘状态——所有的这些“电子空穴”都会被填满,所有就没有自由电子或电子真空区和电流不能流动。

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为了除掉损耗区就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的,连接二极管N型一方到电流的负极和P型就连接到电流的正极。

这时在N型物质的自由电子会被负极电子排斥和吸引到正极电子。在P型物质中的电子空穴就移向另一方向。

当电压在电子之间足够高的时候,在损耗区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动。损耗区消失,电流通过二极管。

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如果尝试使电流向其它方向流动,P型端就边接到电流负极和N型连接到正极,这时电流将不会流动。N型物质的负极电子被吸引到正极电子。

P型物质的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有电流流通过汇合处,损耗区增加。

发光二极管为什么会发光?

当pn结两端做好电极引出管脚并封装好后,就形成了一个二极管。二极管的特性基本就是pn结的特性,有的用作整流,有的用来检波,有的可以发光;这些只不过是参数的调节或者材料的改变,其基本原理是相同的。

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光是能量的一种形式,一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但没质量的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子,是光的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。

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当二极管的两端加上正向偏压,大部分电压就加到空间电荷区上。这时内建电场电压降低,打破了载流子的扩散漂移平衡:p区空穴向n区扩散、n区电子向p区扩散,等效于外加电场给n区注入空穴、给p区注入电子。

注入n区的空穴很快与电子复合辐射光子,注入p区的电子也很快与空穴复合辐射光子, pn结就在电场的作用下就不断的发光。在外加正向电压很小时,注入载流子的量极小,肉眼看不到发出的光;

只有当外加电压接近或超过内建电场电压时才会大量地注入载流子,这样就可以看见二极管发出明亮的光。

对于发光二极管,需要注入的电子和空穴尽快地复合,复合电流占总电流的比例越大发光效率越高,让电能更多地转化为光能而不是热能;而普通二极管一般需要注入的电子和空穴尽量少地复合。

自由电子从P型层通过二极管落入空的电子空穴。这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数,所以电子就是以光子形式释放能量。这在任何二极管里都会发生的,在普通二极管里,半导体材料本身吸引大量的光能而结束。

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发光二极管的英文简称为LED。在生活中可以见到各种颜色的发光二极管,有的发绿光,有的发红光,有的发蓝光,光彩夺目,还有的发不可见的红外和紫外光。

那么,是什么决定了二极管发不同颜色的光?当一个电子从导带跃迁到价带就会辐射一个光子,这个光子的能量E就等于禁带宽度Eg,而光子的波长λ=1.24/Eg(μm),所以半导体的禁带宽度基本决定了二极管发光的颜色。

白光发光二极管发出的白光不是单色光,而是由多种光混合而成。常见的白光发光二极管使用的是氮化镓半导体材料,其禁带宽度约3.39eV,形成的pn结发的是蓝光(已通过杂质能级调节光子能量)。但是,在二极管中的pn结外面涂有一层黄光荧光粉,当蓝光打到黄光荧光粉上后,发光二极管就发出黄蓝光混合而成的白光。

发光二极管的发展历程

1907年,英国马可尼(Marconi)实验室的科学家Henry Round第一次推论半导体PN结在一定的条件下可以发出光。这个发现奠定了LED被发明的物理基础。

1927年,俄罗斯科学家奥列弗拉基洛谢夫独立制作了世界上第一颗LED,其研究成果曾先后在俄国、德国和英国的科学杂志上发表,可惜当时并没有人理睬他。

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1955年,美国无线电公司33岁的物理学家鲁宾·布朗石泰首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用并在物理上实现了二极管的发光,可惜发出的光不是可见光而是红外线,但这个贡献也很大了。

1961年,德州仪器公司(TI)的科学家鲍勃·布莱德和加里·皮特曼发现砷化镓在施加电子流时会释放红外光辐射。他们率先生产出了用于商业用途的红外LED并获得了砷化镓红外二极管的发明专利。不久,红外LED就被广泛应用于传感及光电设备当中。

1962年,美国通用电气公司(GE)一名34岁的普通研究人员尼克·何伦亚克发明了可以发出红色可见光的LED,被称为“发光二极管之父”,后来也获得了N多奖项。当时的LED还只能手工制造,而且每只的售价需要10美元。1963年,他离开通用电气公司,出任其母校美国伊利诺大学电机工程系教授,培养自己的接班人。

1972年,何伦亚克的学生乔治·克劳福德踏着前辈们的脚步发明了第一颗橙黄光LED,其亮度是先前红光LED的10倍,这标志着LED向着提高发光效率方向迈出的第一步。

20世纪70年代末期,LED已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色,但依然没有蓝色和白色光的LED。因为只有发明出蓝光LED才可能实现全彩色LED显示,市场价值巨大,也是当时世界性的攻关难题。科学家们转而将重点放在了提高LED的发光效率上面。

20世纪70年代中期,LED可产生绿、黄、橙色光时,发光效为1流明/瓦,到了20世纪80年代中期对砷化镓和磷化铝的使用使得第一代高亮度红、黄、绿色光LED诞生,发光效率已达到10流明/瓦。

1993年,中村修二在日本日亚化学工业株式 会社就职期间,利用半导体材料氮化镓(GaN)和铟氮化稼发明了蓝光LED,在蓝光LED出现之前,由于无法通过RGB系统合成白光,LED的光效、亮度也不高,LED无法应用于照明领域。

因此在1995年中村修二采用铟氮化稼又发明了绿光LED,在1998年利用红、绿、蓝三种LED制成白光LED,从此绿光与白光LED研制成功,标志着LED正式进入照明领域,是LED照明发展最关键的里程碑。中村修二被称为“蓝光、绿光、白光LED之父”

1996年,日亚化学公司在日本最早申报的白光LED的发明专利就是在蓝光LED芯片上涂覆YAG黄色荧光粉,通过芯片发出的蓝光与荧光粉被激活后发出的黄光互补而形成白光。蓝色和白色光LED的出现拓宽了LED的应用领域,使全彩色LED显示、LED照明等应用成为可能。

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21世纪初,LED已经可以发出任何可见光谱颜色的光(还包括有红外线和紫外线)。其发光效率已经达到100流明/瓦以上。

发光二极管的

优点和缺点

LED的优点主要有:

1、节能,比白炽灯节能80%以上,比节能灯节能50%以上。

2、体积小,重量轻,不怕震动。

3、光效高,是白炽灯15m/w的8倍,是荧光灯50 Lm/w的2倍多。

4、光色可选择,LED光源的发光颜色和色温都可以灵活应用。

5、.方向性好,LED发光角度可以灵活调整。

6、环保:没有节能灯所含的汞等有害物质。

7、.冷光源无紫外线和红外线,故没有热量,没有辐射。

8、寿命长,寿命可达5万-10万小时比传统光源寿命长10-50倍以上。

9、.响应速度快,纳秒级。

LED的缺点主要有:

1、.散热问题,LED在电致光的过程中另外一部分能量转化成热量,如无法及时散发出去,PN结的结温将会升高,加速芯片和封装树脂的老化,使芯片失效,影响LED的使用寿命与发光表现。

2、防水性能差,是户外使用的一个致命弱点光源内部吸水后内部金属氧化影响输出或产生内应力、荧光粉吸潮变色,光色漂移。

3、成本较高.光源.散热器.电源.高透灯罩/透镜/反射罩.四者成本集体推高LED成本。

4、.需要驱动器提供恒流电源,驱动器寿命是影响灯具寿命的重要因素。

5、半导体器件,对静电影响比较敏感,易被静电击穿PN结导致漏电流或死灯。

发光二极管的种类

1、按发光管发光颜色分:

按发光管发光颜色可分成红色、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可分为分圆灯、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φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、 φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1;把φ5mm的记作T-1(3/4);把φ4.4mm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:

(1)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。

(2)标准型。通常作指示灯用,其半值角为20°~45°。

(3)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可分为全环氧包封、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可分为普通亮度的LED(发光强度<10mcd);超高亮度的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)。

通常,根据结构,LED可分为以下四大类:

一、直插式LED

1、尺寸有:3mm、5mm、8mm、10mm等;

2、颜色:有红、绿、蓝、黄、橙、黄绿、白色、紫色等;

3、胶体颜色有:无色透明、有色透明、有色散射、无色散射等

4、应用:家用电器的直插灯、LED显示屏,户外看板,公共场所的LED路灯、汽车内外灯等 。

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二、SMD表面贴装二极管

1、尺寸有:2835、3014、3528、4014、5050、5630等;

2、颜色有红、绿、蓝、黄、琥珀、黄绿、白色、紫色等;

3、胶体颜色有:无色透明、有色透明、有色散射、无色散射;

4、.应用:广泛用于照明灯具上。

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三、食人鱼(FLUX LED)

1、食人鱼封装模粒有φ3mm圆头和φ5mm圆头,也有凹型形状的平头形状。根据出光角度的要求,可选择各种封装模粒;

2、颜色有红、绿、蓝、黄、琥珀、黄绿、白色、紫色等;

3.胶体颜色有:无色透明、有色透明、有色散射、无色散射;

4、食人鱼LED非常适合制成线条灯、背光源的灯箱、大字体槽中的光源和汽车照明中。

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四、大功率LED(Power led)

1、大功率有1W、3W、5W、10W等;

2、颜色:由半导体PN结自身产生色彩,纯正,浓厚;色彩丰富——三基色加数码技术,可演变任意色彩;

3、大功率LED在油田、石化、铁路、矿山、部队等特殊行业、舞台装饰、城市景观照明、显示屏以及体育场馆等,特种工作灯具中的具有广泛的应用前景。

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发光二极管的应用领域

以现在市场来讲,LED产品主要是集中在显示领域,照明领域,传感领域和打印领域。

显示领域

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1、电子仪器指示灯,背光等

在很早以前,LED的用途是替代电子仪器的指示灯。这个为什么是这样的原因呢?主要是因为电子仪器的指示灯效果有一个很严格的标准,那就是耐用度高。在那个时候,白炽灯的耐用性比LED产品没有可比性,所以LED很快的就代替了白炽灯的电子仪器指示的作用。

在1980年的时间段,那个时候LED产品是属于高科技产品,所以价格是很贵的。在光色方面,只有红色,而且亮度还不是很亮,所以很多电子仪器的指示灯还是用小型的蓝色,绿色,和白色的白炽灯。

从1990年开始,LED的技术水平得到了一个很大的提升,白色的LED也在批量的生产,所以电子仪器中的指示灯采用LED的产品比较多。

2、电子板显示器

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1990年初期,LED产品就有用在公告板中,但是当时只有一种颜色可以选择,就是橙色,而且亮度还是很低的。所以在那个时候,LED公告板只能在室内使用。

在这个时间段以后,LED生产技术的提升,研究LED的科学人员成功研制出了高亮度的发光LED,从这个时候开始,就可以开始在白天明亮度的地方使用LED显示板。

这个LED显示板有明显的节能效果,相比传统的电视墙,多彩霓虹灯的显示比较,LED不仅节能,还能够很快的动态输出文字和图像功能。

3、公共交通信号显示方面

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采用LED交通信号灯的做大优势就是LED的发光亮度大,能见度高,在晚上的时候能看的很清晰,从远处看也方便。

另外LED信号灯可以根据周围的亮度情况来自动的调整LED交通信号灯本身的亮度。LED交通信号灯的最大优势就是节能和使用时间长。

另外一方面,对于常年需要通电工作的LED信号灯产品来讲,LED信号灯就是节能和使用时间长。如果按照传统的白炽灯,如果白炽灯在工作的时候里面的灯丝烧坏了,更换一个信号灯的话,可能就会形成交通拥堵,所以综合比较下来,LED交通信号灯产品更加的有优势。

4、背光源显示领域

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随着LED技术的不断更新,LED产品在背光领域也是占有一片天。LED产品逐渐取代荧光灯管的背光显示作用。因为LED的体积比较小,可以直接从面板液晶的后端直接的发光,而且照射的范围角度大,提升了显示器的耐用程度和亮度。所以用LED作为液晶背光显示是非常有道理的。

照明领域

1、室内照明。

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室内照明一般来讲,使用的光源颜色是白光。翻开历史的篇章,LED从1996年开始,LED的发光效率和亮度逐年的提升,以现在市场上的白光亮度来讲,行业内的亮度基本达到了130流明每瓦。

随着LED技术的提升,LED的价格也在不断的下降,所以LED越来越取代传统的白炽灯和荧光灯,形成了市面上通用的照明产品。基于这个因素,LED白光的市场会是一块很大的蛋糕。

2、室内装修照明产品。

通过三基色的配比,控制电流,LED产品可以实现很多中颜色的变换。也是这个原因,增加人们对LED产品的认识。在这个丰富多彩的世界,人们选择装饰产品也是丰富多彩的,人们在装饰的过程中,偏向于强调色彩的美感。LED光源产品颜色的多样化促进了LED灯饰的发展。

3、城市内景观装饰照明。

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景观照明通俗的讲就是公共场所的装饰照明。国内某些市政工程,市政单位,为了提升城市的形象,往往在这个城市景观照明这块投入大手笔。另外在北上广深这几个大城市的景观照明示范工程取得良好的带头作用,LED景观照明越来越受到国内中小城市的青睐。

4、汽车照明。

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众所周知,LED产品具有节能,使用时间长,反应速度快的原因,LED照明产品已经在汽车照明这块领域大打出手。目前LED车用灯受到相关认证的限制,LED车灯市场增长缓慢。但是后期,随着LED生产技术的不断提升,与及LED价格的不断下降,LED产品未来会占据整个车用照明领域。

传感技术领域

1、全自动门传感器

LED产品不仅有白色的颜色,可见光的颜色,更还有不可见光的红外和紫外。红外产品可以用在自动门感应领域。LED传感产品与红外半导体激光的传感器相比,LED传感在照度范围更加的有优势。

2、条形码扫描仪

在普通的的条形码读写器中,LED作为光源接近并照亮物体。条形码读写器中的传感器以0.1mm的分辨率读取条形码的数据。LED传感技术与传统的半导体激光器的条码扫描仪相比较,采用LED传感技术的成本更加的低,而且读取的距离也更加的近,在一定的程度上会提升工作的效率。

打印领域

随着LED行业的发展,LED技术也在不断的提升与创新。LED代替传统照明的同时也在代替其他类别的产品。

例如代替了激光打印技术层次。激光打印的核心就是利用半导体器件做成的激光器件,如果半导体激光器件被LED所代替,那么激光打印也就被替代掉了。

激光打印还有一个弊端,就是扫描器制作的高昂成本。现在的激光打印就是用扫描器进行扫描,如果利用LED做成打印机的话,就是通过条状的高亮度LED代替扫描器。

尽管目前的状况来讲,LED打印机还是处于刚起步的阶段,但是随着LED技术的不断成熟,突破与发展,LED打印机后期会成为市场的主流产品。

本文转载自传感器技术。

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