LED发光二极管结构、发光原理

一、LED发光二极管结构、发光原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的核心部分是由P型半导体（一种在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素的晶片）和N型半导体（一种在在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素的晶片）组成的晶片（两种半导体紧紧粘贴在一起），在p型半导体和n型半导体之间的过渡层，称为p-n结。

在P型半导体中，空穴(晶体原子之间共价键上的价电子脱离后而形成的空洞。带正电)叫多数载流子（导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子），电子(带负电)叫少数载流子。而在N型半导体中，空穴(带正电)叫少数载流子，电子(带负电)叫多数载流子。加电后，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结(PNJunctionTransistors)。PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力，当对PN结施加正向电压时，电流从LED的阳极流向阴极，PN结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会以光子的形式释放出来，也就是我们所看到的光。从而把电能直接转换为光能。而在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，光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。光的强弱与电流有关。

通过对其中发光材料的研究，人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件。通常晶片附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

二、LED发光颜色

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。

光，—般是指可见光，可见光光谱的波长范围为380nm～760nm（说明：可见光的波长范围占电磁波的波长范围一少部分，可以认为光是一种电磁波，但光又有区别于一般电磁波的特性，所以光具有波粒二象性，即光既具有波的特性，如干涉、衍生等现象；同时又具有一般粒子束的特性。

可见光透过三棱镜可以呈现出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的光带，这光带依次排列的图案称为光谱。其中红光波长最长，紫光波长最短，其它各色光的波长则依次介于其间。可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色红、绿、蓝合成。

红640—780nm

橙640—610

黄610—530

绿505—525

蓝505—470

紫470—380

红外线：在可见光红色光以外(>0.76微米)的人眼感觉不到的光线，红外线（近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm 之间。）和无线电波；波长短于紫色光的(<0.4微米)有紫外线。

紫外线：在可见光紫色光以外的人眼感觉不到的光线，紫外线是电磁波谱中波长从0．01—0．40微米（可见光紫端到X射线间）辐射的总称。

短波紫外线：简称UVC。是波长200NM－280NM的紫外光线。短波紫外线在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收。不能达到地球表面，对人体产生重要作用（如：皮肤癌患者增加）。因此，对短波紫外线应引起足够的重视。（致癌）

中波紫外线：简称UVB。是波长280NM－320NM的紫外线。中波紫外线对人体皮肤有一定的生理作用。此类紫外线的极大部分被皮肤表皮所吸收，不能在渗入皮肤内部。但由于其阶能较高，对皮肤可产生强烈的光损伤，被照射部位真皮血管扩张，皮肤可出现红肿、水泡等症状。长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化，严重者可引起皮肤癌。中波紫外线又被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重点预防的紫外线波段。（晒伤）

长波紫外线：简称UVA。是波长320NM－400NM的紫外线。长波紫外线对衣物和人体皮肤的穿透性远比中波紫外线要强，可达到真皮深处，并可对表皮部位的黑色素起作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑，起到了防御紫外线，保护皮肤的作用。因而长波紫外线也被称做“晒黑段”。长波紫外线虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化和严重损害的原因之一。（晒黑、老化）

三、LED发光应用

紫外光led：

就是放出的光在紫外线的频率范围里的led，可用于验钞机上是紫外线灯，LED材料的带隙越宽，其发光波长越短。氮化镓铝和氮化铝LED可发出紫外光。他看起来是淡蓝的，是因为它除了发出紫外线外还发出少量蓝光和紫光，真正对验钞有用的是他发出的紫外线，不是我们看到的普通紫光与蓝光。紫外线我们是看不到的。

白光LED：

因为白光并非单色光（目前LED不能直接产生白色的光）所以人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，白光LED的工艺结构和白色光源。 对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成，第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种方法在1998年白光的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（λp=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射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分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，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。

全彩LED：

通常LED实现各种颜色是通过混色实现的，例如LED全彩显示屏将红色、绿色、蓝色三个发光二极管按一定规则排列，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256×256×256＝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。

另外也有单个LED内封装集成三种发光LED芯片（红色、绿色、蓝色），并且按一定的规则排列，有多个引线，从而实现单个LED全彩，通过混色调节可以产生各种颜色及白光，这种LED通常称为变色发光二极管，变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。

变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。

特殊LED：

根据应用的需要某些LED当改变电流可以实现变色，通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，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，最后为绿色。

四、LED节能效率对比

白炽灯和卤钨灯，其光效为12～24流明／瓦；

荧光灯和HID灯的光效为50～120流明／瓦；

白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明／瓦，到了1999年已达到15流明／瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25流明／瓦，这一指标与卤钨灯相近。2009-05 Cree公司该款冷白光LED总光通量达139 lm，在350mA电流输入下，发光效率达132 lm/瓦，在1A电流输入下，发光效率达345 lm/瓦，芯片尺寸为3.45x3.45mm，业界普遍认为LED照明如要切入室内照明主灯源市场，在技术部分，必须要能以150 lm/W量产品为目标。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间10000小时以上），几乎无需维护、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点。

五、LED特点说明：

高节能：

LED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。

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

体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。

光线健康

LED照明灯不具有紫外线和红外线属于冷光源，汞灯是利用电能转化为热能所以有紫外线和红外 一定程度影响身体。

坚固耐用

LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途，。可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。

六、LED的分类

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。