LED 灯及其发光原理一、LED的结构及发光原理50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于 I960年LED是英文light emitting diode （发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致 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 结构图如下图所示楔形支架--有发射碗的阴极杆阳极杆透明环氧树脂封義诃芯片引线架-发光二极管的构造图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 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，根据产品不同而异，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减少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形状 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：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，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300〜500只二极管构成三、 单色光 LED 的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初当时所用 的材料是GaAsP，发红光（入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年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（入p=555nm），黄光（入p=590nm） 和橙光（入p=610nm）,光效也提高到1流明/瓦。
到了 80年代初，出现了 GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功， 使LED的光效得到大幅度的提高在2000 年,前者做成的LED在红、橙区（入p=615nm） 的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（入p=530nm）的光效可以达到 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，在美国本来是采用长寿命，低光效的 140 瓦白炽灯作为光源，它产生 2000 流明的白 光经红色滤光片后，光损失90%,只剩下200流明的红光而在新设计的灯中，Lumileds 公司采用了 18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，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，我国开始在汽车上安装高位刹 车灯，由于 LED 响应速度快(纳秒级)，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少 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(A 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发射，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的各色白光如下图所示)Eef--种白色LED的结构示意图八囂迂光"TTl-引线LED芯片(GAM)E： LED芯片发蓝光 F： 荧光粉发貴光相对发光强度一种白色LED和普通白炽灯发光光谱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2000元/公斤;第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光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、 蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未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，预计三波长白光 LED 今年有商品化的机机会但此 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索之中表 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LEDInGaN/YAGInGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光蓝色LEDInGaN/荧光粉InGaN的蓝光激发的红绿蓝 三基色荧光粉发白光蓝色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 封装在起，构成白色LED3蓝色LED绿色LED红色LEDInGaNAlInGaP将发三原色的三种小片封装 在起，构成白色LED多多种光色的InGaN、GaP将遍布可见光区的多种光芯个LEDAlInGaP片封装在起，构成白色LED采用LED光源进行照明，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已达到单颗用电超过1瓦，光输出25流明，也增大 了它的实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199519915相若白炽灯20025相若卤钨灯20050估计表三 长远发展目标单颗白色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基本专利后，坚持不对外提供授权， 仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光LED价格高昂但其他已具备生产能力的业 者相当不以为然，部分日系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 严重伤害因此许多业者便千方百计进行蓝光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、市场化方面起到了积极的促进作用。