LED发光二极管资料.docx

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1、LED 发光二极管资料一、LED 的构造及发光原理 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的根本学问，第一个商用二极管产生于 1960 年。LED 是英文 light emitting diode发光二极管的缩写，它的根本构造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 构造图如以以下图所示发光二极管的核心局部是由 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 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

2、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 6-24V 之间，依据产品不同而异，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削减 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

3、外形的器件，并且适合于易变的环境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：转变电流可以变色，发光二极管便利地通过化学修饰方法，调整材料的能带构造和带隙，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，最终为绿色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 300500 只二极管构成。三、单色光 LED 的种类及其进展历史最早应用半导体 P-N 结发光原理制

4、成的 LED 光源问世于 20 世纪 60 年月初。当时所用的材料是 GaAsP，发红光p=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 年月中期，引入元素 In 和N，使 LED 产生绿光p=555nm，黄光p=590nm和橙光p=610nm，光效也提高到 1 流明/瓦。到了 80 年月初，消灭了 GaAlAs 的 LED 光源，使得红色 LED 的光效到达 10 流明/瓦。90 年月初，发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿、蓝光的 GaInN 两种材料的开发成功，使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2023 年，前者做成的

5、 LED 在红、橙区p=615nm的光效到达 100 流明/瓦，而后者制成的 LED 在绿色区域p=530nm的光效可以到达 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，在美国原来是承受长寿命，低光效的140 瓦白炽灯作为光源，它产生 2023 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。而在设计的灯中，Lumileds 公司承受了 18 个红色 LED 光源，包括电路损失在内，共耗电 14 瓦，

6、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，我国开头在汽车上安装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快纳秒级，可以及早让跟随车辆的司机知道行驶状况，削减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 芯片和钇铝石榴石YAG封装在一起做成。GaN 芯片发蓝光p=465nm ，Wd=30nm，高温烧结制成的含 Ce3+ 的 YAG 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光放射，峰值 550nm。蓝

7、光 LED 基片安装在碗形反射腔中，掩盖以混有 YAG 的树脂薄层，约200-500nm。LED 基片发出的蓝光局部被荧光粉吸取，另一局部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，通过转变YAG 荧光粉的化学组成和调整荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K 的各色白光。如以以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 多为日本日亚公司的进口，价格在 2023 元/公斤；其次种是日本住友电工亦开发出以 ZnSe 为材料

8、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、蓝粉和石榴石构造的黄色粉，在将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， 估量三波长白光 LED 今年有商品化的机时机。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究之中。表 一 白 色 LED 的 种 类 和 原 理芯片数激发源 发光材料发光原理1蓝色 LED InGaN/YAGInGaN 的蓝光与 YAG 的黄光混合成白光蓝色 LED InGaN/荧光粉InGaN 的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉

9、发白光蓝色 LEDZnSe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 紫外 LEDInGaN/荧光粉InGaN 的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光2蓝色 LED 黄绿 LEDInGaN、GaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色 LED 3蓝色 LED 绿色 LED红色 LED InGaN AlInGaP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承受 LED 光源进展照明，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

10、 已到达单颗用电超过 1 瓦，光输出 25 流明，也增大了它的有用性。表二和表三列出了白色 LED 的效能进展。表 二 单 颗 白 色 L ED 的 效 能 进展年份发光效能流明/瓦 备注1998519915相假设白炽灯202325相假设卤钨灯202350估量表三 长远进展目标单颗白色 LED输入功率10 瓦发光效能100 流明/瓦输出光能1000 流明/瓦六、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根

11、本专利后，坚持不对外供给授权，仅采自行生产策略，意 图独占市场，使得蓝光 LED 价格昂扬。但其他已具备生产力气的业者相当不以为然，局部日系 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 产业造成严峻损害。因此很多业者便千方百计进展蓝光 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，对促进白光 LED 产品的产业化、市场化方面起到了乐观的促进作用。上海科铃纳光电科技张松2023-07-07