发光二极管的原理

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。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。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用下式计算： R=（E－UF）/IF

式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的正常工作电流。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P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN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。

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 LED材料 材料化学式颜色 铝砷化镓 砷化镓 砷化镓磷化物磷化铟镓 铝磷化镓（掺杂氧化锌) AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO红色及红外线 铝磷化镓 铟氮化镓/氮化镓 磷化镓 磷化铟镓铝 铝磷化镓 InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP绿色 磷化铝铟 镓砷化镓 磷化物 磷化铟镓铝 磷化镓 GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色 磷砷化镓 GaAsP 红色，橘红色，黄色 磷化镓 硒化锌 铟氮化镓 碳化硅 GaP ZnSe InGaN SiC红色，黄色，绿色 氮化镓(GaN) 　绿色，翠绿色，蓝色 铟氮化镓 InGaN近紫外线，蓝绿色，蓝色 碳化硅(用作衬底) SiC蓝色 硅(用作衬底) Si蓝色 蓝宝石(用作衬底) Al2O3蓝色 硒化锌 ZnSe蓝色 钻石 C紫外线 氮化铝,氮化铝镓 AlN AlGaN波长为远至近的紫外线 白光LED

1993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镓（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钇铝石榴石(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Nichia Corporation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。

极性

发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

LED单向导通性

LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格上，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途，但在技术上，LED在光电转换效率(有效照度对用电量的比值)上仍然低于新型的荧光灯，是国家以后发展民用的去向。

特性

与白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9，10个阿拉伯数字以及A，B，C，D，E，F等部分字母（必须区分大小写）。

参数

LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。

发光效率和光通量

发光效率就是光通量与电功率之比，单位一般为lm/W。发光效率代表了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。

发光强度和光强分布

LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。

波长

对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。

发光二极管( Light Emitting Diode, LED)，是一种半导体元件。初时多用作为指示灯、显示板等；随著白光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，发光二极体能发出单色、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，可使发光二极体发出在近紫外线、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)及其他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 Holonyak Jr.）（1928年生）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。

目录

1发光二极管技术

1.1原理

1.2蓝光与白光LED

1.3其他颜色

1.4有机发光二极管，OLED

1.5运作参数和效率

1.6几种错误的尝试法

2使用LED的权衡考虑

3LED应用

3.1已知的LED应用列表

3.2照明应用

3.3LED显示看板

3.4Multi-Touch Sensing

4相关参考

5相关参见

6相关资源

7外部连结

[编辑]

发光二极管技术

[编辑]

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晶片组成，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，所以硅和锗二极体不能发光。发光二极体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)的发光二极体只能发出红外线或红光。随著材料科学的进步，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：

铝砷化稼 (AlGaAs) - 红色及红外线

铝磷化稼 (AlGaP) - 绿色

aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) - 高亮度的橘红色， 橙色，黄色，绿色

磷砷化稼 (GaAsP) - 红色，橘红色，黄色

磷化稼 (GaP) - 红色，黄色，绿色

氮化镓 (GaN) - 绿色，翠绿色，蓝色

铟氮化稼 (InGaN) - 近紫外线，蓝绿色，蓝色

碳化硅 (SiC) (用作衬底) - 蓝色

硅 (Si) (用作衬底) - 蓝色 (开发中)

蓝宝石 (Al2O3) (用作衬底) - 蓝色

zinc selenide (ZnSe) - 蓝色

钻石 (C) - 紫外线

氮化铝 (AlN), aluminium gallium nitride (AlGaN) - 波长为远至近的紫外线

[编辑]

蓝光与白光LED

用GaN形成的紫外线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(波长 450 nm 至 470 nm)上覆盖一层淡黄色磷光体涂层制成的，这种黄色磷光体通常是通过把掺了铈的Yttrium Aluminum Garnet(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晶片发出蓝光，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被视为闪烁器多於磷光体。)由於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Nichia Corporation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，可用其他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。

而基於其光谱的特性，红色和绿色的物件在这种LED照射下看起来会不及阔谱光源照射时那麼鲜明。

另外由於生产条件的变异，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。但由於紫外线会使黏合剂中的环氧树脂的质量变坏，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Stokes Shift前者较大)，但好处是光谱的特性较佳，产生的光比较好看。而由於紫外光的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。

[编辑]

其他颜色

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涂上萤光漆或指甲油，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。

发光二极体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体发光的颜色。

[编辑]

有机发光二极管，OLED

结合蓝色、黄绿（草绿）色，以及高亮度的红色LED等三者的频谱特性曲线，三原色在FWHM频谱中的频宽约24奈米—27奈米。主条目：有机发光半导体

有机发光二极管所用的物料是处结晶状态有机分子或高分子材料，而由后者制成的LED具有可弯曲的特性。和传统的发光二极体相比，OLED 的亮度更高，将来可望应用於制造平价可弯曲显示屏、照明设备、发光衣或装饰墙壁。2004年开始， OLED 已广泛应用於随身MP3播放器。

[编辑]

运作参数和效率

一般最常见的LED工作功率都是设定於30至60毫瓦电能以下。在1999年开始引入了可以在1瓦电力输入下连续使用的商业品级LED。这些LED都以特大的半导体晶片来处理高电能输入的问题，而那半导体晶片都是固定在金属铁片上，以助散热。在2002年，在市场上开始有5瓦的LED的出现 ，而其效率大约是每瓦18至22流明。

2003年九月，Cree, Inc.公司展示了其新款的蓝光LED，在20毫安下达到35%的照明效率。他们亦制造了一款达65流明每瓦的白光LED商品，这是当时市场上最光的白光LED。在2005年他们展示了一款白光LED原型，在350毫安工作环境下，创下了每瓦70流明的记录性效率。[1]

今天，OLED的工作效率比起一般的LED低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生产成本低得多，例如可以用简单的印制方法将特大的OLED阵列安放在屏幕上，用以制造彩色显示屏。

[编辑]

几种错误的尝试法

最共同的方式为LEDs (和二极管lasers) 失败是逐渐降低效率光输出和损失。但是, 突然的失败可能发生当活跃区域的退化well.The 机制, 辐射性再结合发生, 介入脱臼生核和成长这要求一个现有的瑕疵的出现在水晶和被热、高电流密度, 和散发的光加速。砷化镓和铝砷化镓是易受这个机制比砷化镓磷化物、铟砷化镓磷化物, 和铟磷化物。由於活跃地区、镓氮化物和铟镓氮化物的不同的物产是实际上厚脸皮的对这种瑕疵但是, 高电流密度可能导致原子的电移在活跃地区, 导致脱臼和点瑕疵诞生, 作为nonradiative 再结合中心和导致热外面代替光。致电离辐射可能导致创作的这样瑕疵, 导致问题以辐射硬化电路包含LEDs (即在optoisolators 里) 。早期的红色LEDs 经常是著名的至於他们短的lifetime.White LEDs 使用一个或更多黄磷。黄磷倾向於贬低以热并且年龄, 丢失的效率和导致变化在导致的光color.High 电流上在被举起的温度可能导致金属原子扩散从电极入活跃区域。一些材料, 著名地铟罐子氧化物和银, 是依於电移。在某些情况下, 特别是与GaN/InGaN 二极管, 障碍金属层数使用妨害电移作用。机械重音, 高潮流, 并且腐蚀性环境可能导致颊须的形成, 导致短的circuits.High 力量LEDs 是易受当前拥挤, 电流密度的nonhomogenous 发行在连接点。这也鸟伬P地方化的热点的创作, 形成热量逃亡风险。Nonhomogenities 在基体, 导致导热性地方化的损失, 加重情况最共同那些是空隙由电移作用和Kirkendall 无效造成由残缺不全焊接, 或。热量逃亡是LED failures.Laser 二极管的同道会也闭O依於灾难光学损伤, 当光输出超出一个重要水平并且熔化塑料包裹facet.Some 材料倾向於染黄当服从对热的起因, 导致部份效率吸收(和因此损失) 受影响的wavelengths.Sudden 失败由热量重音经常造成。当环

[编辑]

使用LED的权衡考虑

近看一颗典型的LED，可以看到其内部结构。不同於白炽电灯泡, 容光焕发不管电子极性, LEDs 只将点燃以正面电子极性。当电压横跨p-n 连接点是在正确方向, 重大潮流流动并且设备被认为forward-biased 。如果电压是错误极性, 设备被认为反向偏心, 很少当前的流程, 并且光不散发。LEDs 可能被管理在交流电电压, 但他们只将点燃以正面电压, 导致LED 转动断断续续以AC 的频率LED 正确极性可能通常被确定的supply.The 当看LED 的里面不是确定极性一个准确方式的follows:sign:+-polarity:positivenegativeterminal:anodecathodewiring:redblackpinout:longshortinterior:smalllargeshape:roundflatmarking:nonestripeIt 应该被注意。当在多数LEDs 大部份是"-", 在一些这是"+" 终端。平的制表符或短的别针是确定电压对LED 的当前的特徵是很像任一个二极管(是近似地指数的) 的polarity.Because 更加准确的方式, 小电压变动结果在一个巨大的变化在潮流上。增加来偏差在过程中这意味, 电压来源也陷X乎没有使一LED 轻当采取另同样型在它的最大规定值之外和潜在地毁坏it.Since 电压对数与它可能被认为保留主要恒定在LEDs 经营的范围的潮流有关。因而力量可能认为是几乎比例与潮流。尝试和保留力量紧挨常数横跨变异在供应和LED 特徵电源应该是一个当前的来源。如果高效率不必需(即在多数显示应用), 略计对一个当前的来源由连接做LED 在系列用一个当前的限制的电阻器到电压来源是used.Most LEDs 一般有低反向击穿电压规定值, 因此他们将被更多的应用的反向电压比几伏特并且损坏。因为一些制造商不跟随显示标准上面, 如果可能资料表应该被咨询在联接LED 之前, 或LED 也陶Q测试在系列与一个电阻器在充足地低压供应避免反向故障。如果它欲驾驶LED 直接从更多AC 供应比它也野悁w置然后保护二极管的反向击穿电压(或其他L

半导体(Semiconductor)是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质，其电导率容易受控制，可作为信息处理的元件材料。

从科技或是经济发展的角度来看，半导体非常重要。很多电子产品，如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高 *** 控保真度，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。

---