【導讀】2014年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了三位日本裔物理學(xué)家。獲獎的三位日本裔物理學(xué)家對白光發(fā)光二極管的發(fā)明做出了重大貢獻，使得白光發(fā)光二極管作為新型照明光源開(kāi)始普及。
發(fā)光二極管,通常稱(chēng)為L(cháng)ED，是在電子學(xué)世界里面的真正無(wú)名英雄。它們做了許多不同工作和在各種各樣的設備都可以看見(jiàn)它的存在。
什么是二極管?
二極管是半導體設備中的一種最常見(jiàn)的器件，大多數半導體最是由攙雜半導體材料制成(原子和其它物質(zhì))，發(fā)光二極管導體材料通常都是鋁砷化稼，在純鋁砷化稼中，所有的原子都完美的與它們的鄰居結合，沒(méi)有留下自由電子連接電流。
在攙雜物質(zhì)中，額外的原子改變電平衡，不是增加自由電子就是創(chuàng )造電子可以通過(guò)的空穴。這兩樣額外的條件都使得材料更具傳導性。
帶額外電子的半導體叫做N型半導體，由于它帶有額外負電粒子，所以在N型半導體材料中，自由電子是從負電區域向正電區域流動(dòng)。
帶額外“電子空穴”的半導體叫做P型半導體，由于帶有正電粒子。電子可以從另一個(gè)電子空穴跳向另一個(gè)電子空穴，從從負電區域向正電區域流動(dòng)。
二極管是由N型半導體物質(zhì)與P型半導體物質(zhì)結合，每端都帶電子。這樣排列使電流只能從一個(gè)方向流動(dòng)。
當沒(méi)有電壓通過(guò)二極管時(shí)，電子就沿著(zhù)過(guò)渡層之間的匯合處從N型半導體流向P型半導體，從而形成一個(gè)損耗區。
在損耗區中，半導體物質(zhì)會(huì )回復到它原來(lái)的絕緣狀態(tài)——所有的這些“電子空穴”都會(huì )被填滿(mǎn)，所有就沒(méi)有自由電子或電子真空區和電流不能流動(dòng)。
為了除掉損耗區就必須使N型向P型移動(dòng)和空穴應反向移動(dòng)。為了達到目的，連接二極管N型一方到電流的負極和P型就連接到電流的正極。
這時(shí)在N型物質(zhì)的自由電子會(huì )被負極電子排斥和吸引到正極電子。在P型物質(zhì)中的電子空穴就移向另一方向。
當電壓在電子之間足夠高的時(shí)候，在損耗區的電子將會(huì )在它的電子空穴中和再次開(kāi)始自由移動(dòng)。損耗區消失，電流通過(guò)二極管。
如果嘗試使電流向其它方向流動(dòng)，P型端就邊接到電流負極和N型連接到正極，這時(shí)電流將不會(huì )流動(dòng)。N型物質(zhì)的負極電子被吸引到正極電子。
P型物質(zhì)的正極電子空穴被吸引到負極電子。因為電子空穴和電子都向錯誤的方向移動(dòng)所以就沒(méi)有電流流通過(guò)匯合處，損耗區增加。
發(fā)光二極管為什么會(huì )發(fā)光？
當pn結兩端做好電極引出管腳并封裝好后，就形成了一個(gè)二極管。二極管的特性基本就是pn結的特性，有的用作整流，有的用來(lái)檢波，有的可以發(fā)光；這些只不過(guò)是參數的調節或者材料的改變，其基本原理是相同的。
光是能量的一種形式，一種可以被原子釋放出來(lái)。是由許多有能量和動(dòng)力但沒(méi)質(zhì)量的微小粒子似的小捆組成的。這些粒子被叫做光子，是光的最基本單位。光子是因為電子移動(dòng)才釋放出來(lái)。電子在不同的軌函數有著(zhù)不同等的能量。
當二極管的兩端加上正向偏壓，大部分電壓就加到空間電荷區上。這時(shí)內建電場(chǎng)電壓降低，打破了載流子的擴散漂移平衡：p區空穴向n區擴散、n區電子向p區擴散，等效于外加電場(chǎng)給n區注入空穴、給p區注入電子。
注入n區的空穴很快與電子復合輻射光子，注入p區的電子也很快與空穴復合輻射光子， pn結就在電場(chǎng)的作用下就不斷的發(fā)光。在外加正向電壓很小時(shí)，注入載流子的量極小，肉眼看不到發(fā)出的光；
只有當外加電壓接近或超過(guò)內建電場(chǎng)電壓時(shí)才會(huì )大量地注入載流子，這樣就可以看見(jiàn)二極管發(fā)出明亮的光。
對于發(fā)光二極管，需要注入的電子和空穴盡快地復合，復合電流占總電流的比例越大發(fā)光效率越高，讓電能更多地轉化為光能而不是熱能；而普通二極管一般需要注入的電子和空穴盡量少地復合。
自由電子從P型層通過(guò)二極管落入空的電子空穴。這包含從傳導帶跌落到一個(gè)更低的軌函數，所以電子就是以光子形式釋放能量。這在任何二極管里都會(huì )發(fā)生的，在普通二極管里，半導體材料本身吸引大量的光能而結束。
發(fā)光二極管的英文簡(jiǎn)稱(chēng)為L(cháng)ED。在生活中可以見(jiàn)到各種顏色的發(fā)光二極管，有的發(fā)綠光，有的發(fā)紅光，有的發(fā)藍光，光彩奪目，還有的發(fā)不可見(jiàn)的紅外和紫外光。
那么，是什么決定了二極管發(fā)不同顏色的光？當一個(gè)電子從導帶躍遷到價(jià)帶就會(huì )輻射一個(gè)光子，這個(gè)光子的能量E就等于禁帶寬度Eg，而光子的波長(cháng)λ=1.24/Eg(μm)，所以半導體的禁帶寬度基本決定了二極管發(fā)光的顏色。
白光發(fā)光二極管發(fā)出的白光不是單色光，而是由多種光混合而成。常見(jiàn)的白光發(fā)光二極管使用的是氮化鎵半導體材料，其禁帶寬度約3.39eV，形成的pn結發(fā)的是藍光（已通過(guò)雜質(zhì)能級調節光子能量）。但是，在二極管中的pn結外面涂有一層黃光熒光粉，當藍光打到黃光熒光粉上后，發(fā)光二極管就發(fā)出黃藍光混合而成的白光。
發(fā)光二極管的發(fā)展歷程
1907年，英國馬可尼(Marconi)實(shí)驗室的科學(xué)家Henry Round第一次推論半導體PN結在一定的條件下可以發(fā)出光。這個(gè)發(fā)現奠定了LED被發(fā)明的物理基礎。
1927年，俄羅斯科學(xué)家?jiàn)W列弗拉基洛謝夫獨立制作了世界上第一顆LED，其研究成果曾先后在俄國、德國和英國的科學(xué)雜志上發(fā)表，可惜當時(shí)并沒(méi)有人理睬他。
1955年，美國無(wú)線(xiàn)電公司33歲的物理學(xué)家魯賓·布朗石泰首次發(fā)現了砷化鎵及其他半導體合金的紅外放射作用并在物理上實(shí)現了二極管的發(fā)光，可惜發(fā)出的光不是可見(jiàn)光而是紅外線(xiàn)，但這個(gè)貢獻也很大了。
1961年，德州儀器公司（TI）的科學(xué)家鮑勃·布萊德和加里·皮特曼發(fā)現砷化鎵在施加電子流時(shí)會(huì )釋放紅外光輻射。他們率先生產(chǎn)出了用于商業(yè)用途的紅外LED并獲得了砷化鎵紅外二極管的發(fā)明專(zhuān)利。不久，紅外LED就被廣泛應用于傳感及光電設備當中。
1962年，美國通用電氣公司（GE）一名34歲的普通研究人員尼克·何倫亞克發(fā)明了可以發(fā)出紅色可見(jiàn)光的LED，被稱(chēng)為“發(fā)光二極管之父”，后來(lái)也獲得了N多獎項。當時(shí)的LED還只能手工制造，而且每只的售價(jià)需要10美元。1963年，他離開(kāi)通用電氣公司，出任其母校美國伊利諾大學(xué)電機工程系教授，培養自己的接班人。
1972年，何倫亞克的學(xué)生喬治·克勞福德踏著(zhù)前輩們的腳步發(fā)明了第一顆橙黃光LED，其亮度是先前紅光LED的10倍，這標志著(zhù)LED向著(zhù)提高發(fā)光效率方向邁出的第一步。
20世紀70年代末期，LED已經(jīng)出現了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，但依然沒(méi)有藍色和白色光的LED。因為只有發(fā)明出藍光LED才可能實(shí)現全彩色LED顯示，市場(chǎng)價(jià)值巨大，也是當時(shí)世界性的攻關(guān)難題?？茖W(xué)家們轉而將重點(diǎn)放在了提高LED的發(fā)光效率上面。
20世紀70年代中期，LED可產(chǎn)生綠、黃、橙色光時(shí)，發(fā)光效為1流明/瓦，到了20世紀80年代中期對砷化鎵和磷化鋁的使用使得第一代高亮度紅、黃、綠色光LED誕生，發(fā)光效率已達到10流明/瓦。
1993年，中村修二在日本日亞化學(xué)工業(yè)株式 會(huì )社就職期間，利用半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼發(fā)明了藍光LED，在藍光LED出現之前，由于無(wú)法通過(guò)RGB系統合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無(wú)法應用于照明領(lǐng)域。
因此在1995年中村修二采用銦氮化稼又發(fā)明了綠光LED，在1998年利用紅、綠、藍三種LED制成白光LED，從此綠光與白光LED研制成功，標志著(zhù)LED正式進(jìn)入照明領(lǐng)域，是LED照明發(fā)展最關(guān)鍵的里程碑。中村修二被稱(chēng)為“藍光、綠光、白光LED之父”
1996年，日亞化學(xué)公司在日本最早申報的白光LED的發(fā)明專(zhuān)利就是在藍光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過(guò)芯片發(fā)出的藍光與熒光粉被激活后發(fā)出的黃光互補而形成白光。藍色和白色光LED的出現拓寬了LED的應用領(lǐng)域，使全彩色LED顯示、LED照明等應用成為可能。
21世紀初，LED已經(jīng)可以發(fā)出任何可見(jiàn)光譜顏色的光（還包括有紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)）。其發(fā)光效率已經(jīng)達到100流明/瓦以上。
發(fā)光二極管的
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
LED的優(yōu)點(diǎn)主要有：
1、節能,比白熾燈節能80%以上,比節能燈節能50%以上。
2、體積小，重量輕，不怕震動(dòng)。
3、光效高，是白熾燈15m/w的8倍，是熒光燈50 Lm/w的2倍多。
4、光色可選擇，LED光源的發(fā)光顏色和色溫都可以靈活應用。
5、.方向性好，LED發(fā)光角度可以靈活調整。
6、環(huán)保：沒(méi)有節能燈所含的汞等有害物質(zhì)。
7、.冷光源無(wú)紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，故沒(méi)有熱量，沒(méi)有輻射。
8、壽命長(cháng),壽命可達5萬(wàn)-10萬(wàn)小時(shí)比傳統光源壽命長(cháng)10-50倍以上。
9、.響應速度快，納秒級。
LED的缺點(diǎn)主要有：
1、.散熱問(wèn)題，LED在電致光的過(guò)程中另外一部分能量轉化成熱量，如無(wú)法及時(shí)散發(fā)出去，PN結的結溫將會(huì )升高，加速芯片和封裝樹(shù)脂的老化，使芯片失效，影響LED的使用壽命與發(fā)光表現。
2、防水性能差，是戶(hù)外使用的一個(gè)致命弱點(diǎn)光源內部吸水后內部金屬氧化影響輸出或產(chǎn)生內應力、熒光粉吸潮變色,光色漂移。
3、成本較高.光源.散熱器.電源.高透燈罩/透鏡/反射罩.四者成本集體推高LED成本。
4、.需要驅動(dòng)器提供恒流電源，驅動(dòng)器壽命是影響燈具壽命的重要因素。
5、半導體器件，對靜電影響比較敏感，易被靜電擊穿PN結導致漏電流或死燈。
發(fā)光二極管的種類(lèi)
1、按發(fā)光管發(fā)光顏色分：
按發(fā)光管發(fā)光顏色可分成紅色、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。根據發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色。
上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類(lèi)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)光管出光面特征可分為分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、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(lái)分有三類(lèi)：
（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(dòng)檢測系統。
（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)光二極管的結構分：
按發(fā)光二極管的結構可分為全環(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構。
4、按發(fā)光強度和工作電流分：
按發(fā)光強度和工作電流可分為普通亮度的LED（發(fā)光強度<10mcd）；超高亮度的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）。
通常，根據結構，LED可分為以下四大類(lèi)：
一、直插式LED
1、尺寸有:3mm、5mm、8mm、10mm等；
2、顏色：有紅、綠、藍、黃、橙、黃綠、白色、紫色等；
3、膠體顏色有：無(wú)色透明、有色透明、有色散射、無(wú)色散射等
4、應用：家用電器的直插燈、LED顯示屏，戶(hù)外看板，公共場(chǎng)所的LED路燈、汽車(chē)內外燈等 。
二、SMD表面貼裝二極管
1、尺寸有:2835、3014、3528、4014、5050、5630等；
2、顏色有紅、綠、藍、黃、琥珀、黃綠、白色、紫色等；
3、膠體顏色有：無(wú)色透明、有色透明、有色散射、無(wú)色散射；
4、.應用:廣泛用于照明燈具上。
三、食人魚(yú)（FLUX LED)
1、食人魚(yú)封裝模粒有φ3mm圓頭和φ5mm圓頭，也有凹型形狀的平頭形狀。根據出光角度的要求，可選擇各種封裝模粒；
2、顏色有紅、綠、藍、黃、琥珀、黃綠、白色、紫色等；
3.膠體顏色有：無(wú)色透明、有色透明、有色散射、無(wú)色散射；
4、食人魚(yú)LED非常適合制成線(xiàn)條燈、背光源的燈箱、大字體槽中的光源和汽車(chē)照明中。
四、大功率LED(Power led)
1、大功率有1W、3W、5W、10W等；
2、顏色：由半導體PN結自身產(chǎn)生色彩，純正，濃厚；色彩豐富——三基色加數碼技術(shù)，可演變任意色彩；
3、大功率LED在油田、石化、鐵路、礦山、部隊等特殊行業(yè)、舞臺裝飾、城市景觀(guān)照明、顯示屏以及體育場(chǎng)館等，特種工作燈具中的具有廣泛的應用前景。
發(fā)光二極管的應用領(lǐng)域
以現在市場(chǎng)來(lái)講，LED產(chǎn)品主要是集中在顯示領(lǐng)域，照明領(lǐng)域，傳感領(lǐng)域和打印領(lǐng)域。
顯示領(lǐng)域
1、電子儀器指示燈，背光等
在很早以前，LED的用途是替代電子儀器的指示燈。這個(gè)為什么是這樣的原因呢？主要是因為電子儀器的指示燈效果有一個(gè)很?chē)栏竦臉藴?，那就是耐用度高。在那個(gè)時(shí)候，白熾燈的耐用性比LED產(chǎn)品沒(méi)有可比性，所以L(fǎng)ED很快的就代替了白熾燈的電子儀器指示的作用。
在1980年的時(shí)間段，那個(gè)時(shí)候LED產(chǎn)品是屬于高科技產(chǎn)品，所以?xún)r(jià)格是很貴的。在光色方面，只有紅色，而且亮度還不是很亮，所以很多電子儀器的指示燈還是用小型的藍色，綠色，和白色的白熾燈。
從1990年開(kāi)始，LED的技術(shù)水平得到了一個(gè)很大的提升，白色的LED也在批量的生產(chǎn)，所以電子儀器中的指示燈采用LED的產(chǎn)品比較多。
2、電子板顯示器
1990年初期，LED產(chǎn)品就有用在公告板中，但是當時(shí)只有一種顏色可以選擇，就是橙色，而且亮度還是很低的。所以在那個(gè)時(shí)候，LED公告板只能在室內使用。
在這個(gè)時(shí)間段以后，LED生產(chǎn)技術(shù)的提升，研究LED的科學(xué)人員成功研制出了高亮度的發(fā)光LED，從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始，就可以開(kāi)始在白天明亮度的地方使用LED顯示板。
這個(gè)LED顯示板有明顯的節能效果，相比傳統的電視墻，多彩霓虹燈的顯示比較，LED不僅節能，還能夠很快的動(dòng)態(tài)輸出文字和圖像功能。
3、公共交通信號顯示方面
采用LED交通信號燈的做大優(yōu)勢就是LED的發(fā)光亮度大，能見(jiàn)度高，在晚上的時(shí)候能看的很清晰，從遠處看也方便。
另外LED信號燈可以根據周?chē)牧炼惹闆r來(lái)自動(dòng)的調整LED交通信號燈本身的亮度。LED交通信號燈的最大優(yōu)勢就是節能和使用時(shí)間長(cháng)。
另外一方面，對于常年需要通電工作的LED信號燈產(chǎn)品來(lái)講，LED信號燈就是節能和使用時(shí)間長(cháng)。如果按照傳統的白熾燈，如果白熾燈在工作的時(shí)候里面的燈絲燒壞了，更換一個(gè)信號燈的話(huà)，可能就會(huì )形成交通擁堵，所以綜合比較下來(lái)，LED交通信號燈產(chǎn)品更加的有優(yōu)勢。
4、背光源顯示領(lǐng)域
隨著(zhù)LED技術(shù)的不斷更新，LED產(chǎn)品在背光領(lǐng)域也是占有一片天。LED產(chǎn)品逐漸取代熒光燈管的背光顯示作用。因為L(cháng)ED的體積比較小，可以直接從面板液晶的后端直接的發(fā)光，而且照射的范圍角度大，提升了顯示器的耐用程度和亮度。所以用LED作為液晶背光顯示是非常有道理的。
照明領(lǐng)域
1、室內照明。
室內照明一般來(lái)講，使用的光源顏色是白光。翻開(kāi)歷史的篇章，LED從1996年開(kāi)始，LED的發(fā)光效率和亮度逐年的提升，以現在市場(chǎng)上的白光亮度來(lái)講，行業(yè)內的亮度基本達到了130流明每瓦。
隨著(zhù)LED技術(shù)的提升，LED的價(jià)格也在不斷的下降，所以L(fǎng)ED越來(lái)越取代傳統的白熾燈和熒光燈，形成了市面上通用的照明產(chǎn)品?；谶@個(gè)因素，LED白光的市場(chǎng)會(huì )是一塊很大的蛋糕。
2、室內裝修照明產(chǎn)品。
通過(guò)三基色的配比，控制電流，LED產(chǎn)品可以實(shí)現很多中顏色的變換。也是這個(gè)原因，增加人們對LED產(chǎn)品的認識。在這個(gè)豐富多彩的世界，人們選擇裝飾產(chǎn)品也是豐富多彩的，人們在裝飾的過(guò)程中，偏向于強調色彩的美感。LED光源產(chǎn)品顏色的多樣化促進(jìn)了LED燈飾的發(fā)展。
3、城市內景觀(guān)裝飾照明。
景觀(guān)照明通俗的講就是公共場(chǎng)所的裝飾照明。國內某些市政工程，市政單位，為了提升城市的形象，往往在這個(gè)城市景觀(guān)照明這塊投入大手筆。另外在北上廣深這幾個(gè)大城市的景觀(guān)照明示范工程取得良好的帶頭作用，LED景觀(guān)照明越來(lái)越受到國內中小城市的青睞。
4、汽車(chē)照明。
眾所周知，LED產(chǎn)品具有節能，使用時(shí)間長(cháng)，反應速度快的原因，LED照明產(chǎn)品已經(jīng)在汽車(chē)照明這塊領(lǐng)域大打出手。目前LED車(chē)用燈受到相關(guān)認證的限制，LED車(chē)燈市場(chǎng)增長(cháng)緩慢。但是后期，隨著(zhù)LED生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，與及LED價(jià)格的不斷下降，LED產(chǎn)品未來(lái)會(huì )占據整個(gè)車(chē)用照明領(lǐng)域。
傳感技術(shù)領(lǐng)域
1、全自動(dòng)門(mén)傳感器
LED產(chǎn)品不僅有白色的顏色，可見(jiàn)光的顏色，更還有不可見(jiàn)光的紅外和紫外。紅外產(chǎn)品可以用在自動(dòng)門(mén)感應領(lǐng)域。LED傳感產(chǎn)品與紅外半導體激光的傳感器相比，LED傳感在照度范圍更加的有優(yōu)勢。
2、條形碼掃描儀
在普通的的條形碼讀寫(xiě)器中，LED作為光源接近并照亮物體。條形碼讀寫(xiě)器中的傳感器以0.1mm的分辨率讀取條形碼的數據。LED傳感技術(shù)與傳統的半導體激光器的條碼掃描儀相比較，采用LED傳感技術(shù)的成本更加的低，而且讀取的距離也更加的近，在一定的程度上會(huì )提升工作的效率。
打印領(lǐng)域
隨著(zhù)LED行業(yè)的發(fā)展，LED技術(shù)也在不斷的提升與創(chuàng )新。LED代替傳統照明的同時(shí)也在代替其他類(lèi)別的產(chǎn)品。
例如代替了激光打印技術(shù)層次。激光打印的核心就是利用半導體器件做成的激光器件，如果半導體激光器件被LED所代替，那么激光打印也就被替代掉了。
激光打印還有一個(gè)弊端，就是掃描器制作的高昂成本?，F在的激光打印就是用掃描器進(jìn)行掃描，如果利用LED做成打印機的話(huà)，就是通過(guò)條狀的高亮度LED代替掃描器。
盡管目前的狀況來(lái)講，LED打印機還是處于剛起步的階段，但是隨著(zhù)LED技術(shù)的不斷成熟，突破與發(fā)展，LED打印機后期會(huì )成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。
本文轉載自傳感器技術(shù)。
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