【導讀】2014年的諾貝爾物理學獎授予了三位日本裔物理學家。獲獎的三位日本裔物理學家對白光發(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始普及。
發(fā)光二極管,通常稱為LED，是在電子學世界里面的真正無名英雄。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的器件，大多數(shù)半導體最是由攙雜半導體材料制成(原子和其它物質)，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，沒有留下自由電子連接電流。
在攙雜物質中，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(qū)域向正電區(qū)域流動。
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。電子可以從另一個電子空穴跳向另一個電子空穴，從從負電區(qū)域向正電區(qū)域流動。
二極管是由N型半導體物質與P型半導體物質結合，每端都帶電子。這樣排列使電流只能從一個方向流動。
當沒有電壓通過二極管時，電子就沿著過渡層之間的匯合處從N型半導體流向P型半導體，從而形成一個損耗區(qū)。
在損耗區(qū)中，半導體物質會回復到它原來的絕緣狀態(tài)——所有的這些“電子空穴”都會被填滿，所有就沒有自由電子或電子真空區(qū)和電流不能流動。
為了除掉損耗區(qū)就必須使N型向P型移動和空穴應反向移動。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。
這時在N型物質的自由電子會被負極電子排斥和吸引到正極電子。在P型物質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候，在損耗區(qū)的電子將會在它的電子空穴中和再次開始自由移動。損耗區(qū)消失，電流通過二極管。
如果嘗試使電流向其它方向流動，P型端就邊接到電流負極和N型連接到正極，這時電流將不會流動。N型物質的負極電子被吸引到正極電子。
P型物質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所以就沒有電流流通過匯合處，損耗區(qū)增加。
發(fā)光二極管為什么會發(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，有的用來檢波，有的可以發(fā)光；這些只不過是參數(shù)的調節(jié)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。是由許多有能量和動力但沒質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才釋放出來。電子在不同的軌函數(shù)有著不同等的能量。
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(qū)上。這時內建電場電壓降低，打破了載流子的擴散漂移平衡：p區(qū)空穴向n區(qū)擴散、n區(qū)電子向p區(qū)擴散，等效于外加電場給n區(qū)注入空穴、給p區(qū)注入電子。
注入n區(qū)的空穴很快與電子復合輻射光子，注入p區(qū)的電子也很快與空穴復合輻射光子， pn結就在電場的作用下就不斷的發(fā)光。在外加正向電壓很小時，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內建電場電壓時才會大量地注入載流子，這樣就可以看見二極管發(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型層通過二極管落入空的電子空穴。這包含從傳導帶跌落到一個更低的軌函數(shù)，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)光二極管的英文簡稱為LED。在生活中可以見到各種顏色的發(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？當一個電子從導帶躍遷到價帶就會輻射一個光子，這個光子的能量E就等于禁帶寬度Eg，而光子的波長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（已通過雜質能級調節(jié)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)實驗室的科學家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。這個發(fā)現(xiàn)奠定了LED被發(fā)明的物理基礎。
1927年，俄羅斯科學家奧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、德國和英國的科學雜志上發(fā)表，可惜當時并沒有人理睬他。
1955年，美國無線電公司33歲的物理學家魯賓·布朗石泰首次發(fā)現(xiàn)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現(xiàn)了二極管的發(fā)光，可惜發(fā)出的光不是可見光而是紅外線，但這個貢獻也很大了。
1961年，德州儀器公司（TI）的科學家鮑勃·布萊德和加里·皮特曼發(fā)現(xiàn)砷化鎵在施加電子流時會釋放紅外光輻射。他們率先生產出了用于商業(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)出紅色可見光的LED，被稱為“發(fā)光二極管之父”，后來也獲得了N多獎項。當時的LED還只能手工制造，而且每只的售價需要10美元。1963年，他離開通用電氣公司，出任其母校美國伊利諾大學電機工程系教授，培養(yǎng)自己的接班人。
1972年，何倫亞克的學生喬治·克勞福德踏著前輩們的腳步發(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LED向著提高發(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(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，但依然沒有藍色和白色光的LED。因為只有發(fā)明出藍光LED才可能實現(xiàn)全彩色LED顯示，市場價值巨大，也是當時世界性的攻關難題。科學家們轉而將重點放在了提高LED的發(fā)光效率上面。
20世紀70年代中期，LED可產生綠、黃、橙色光時，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工業(yè)株式 會社就職期間，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(xiàn)之前，由于無法通過RGB系統(tǒng)合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應用于照明領域。
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LED正式進入照明領域，是LED照明發(fā)展最關鍵的里程碑。中村修二被稱為“藍光、綠光、白光LED之父”
1996年，日亞化學公司在日本最早申報的白光LED的發(fā)明專利就是在藍光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發(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(xiàn)拓寬了LED的應用領域，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)出任何可見光譜顏色的光（還包括有紅外線和紫外線）。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)點和缺點
LED的優(yōu)點主要有：
1、節(jié)能,比白熾燈節(jié)能80%以上,比節(jié)能燈節(jié)能50%以上。
2、體積小，重量輕，不怕震動。
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：沒有節(jié)能燈所含的汞等有害物質。
7、.冷光源無紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射。
8、壽命長,壽命可達5萬-10萬小時比傳統(tǒng)光源壽命長10-50倍以上。
9、.響應速度快，納秒級。
LED的缺點主要有：
1、.散熱問題，LED在電致光的過程中另外一部分能量轉化成熱量，如無法及時散發(fā)出去，PN結的結溫將會升高，加速芯片和封裝樹脂的老化，使芯片失效，影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)。
2、防水性能差，是戶外使用的一個致命弱點光源內部吸水后內部金屬氧化影響輸出或產生內應力、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、.需要驅動器提供恒流電源，驅動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
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(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色。
上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。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)光強度角分布圖來分有三類：
（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)用以組成自動檢測系統(tǒng)。
（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(jù)結構，LED可分為以下四大類：
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：無色透明、有色透明、有色散射、無色散射等
4、應用：家用電器的直插燈、LED顯示屏，戶外看板，公共場所的LED路燈、汽車內外燈等 。
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：無色透明、有色透明、有色散射、無色散射；
4、.應用:廣泛用于照明燈具上。
三、食人魚（FLUX LED)
1、食人魚封裝模粒有φ3mm圓頭和φ5mm圓頭，也有凹型形狀的平頭形狀。根據(jù)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：無色透明、有色透明、有色散射、無色散射；
4、食人魚LED非常適合制成線條燈、背光源的燈箱、大字體槽中的光源和汽車照明中。
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結自身產生色彩，純正，濃厚；色彩豐富——三基色加數(shù)碼技術，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、城市景觀照明、顯示屏以及體育場館等，特種工作燈具中的具有廣泛的應用前景。
發(fā)光二極管的應用領域
以現(xiàn)在市場來講，LED產品主要是集中在顯示領域，照明領域，傳感領域和打印領域。
顯示領域
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很嚴格的標準，那就是耐用度高。在那個時候，白熾燈的耐用性比LED產品沒有可比性，所以LED很快的就代替了白熾燈的電子儀器指示的作用。
在1980年的時間段，那個時候LED產品是屬于高科技產品，所以價格是很貴的。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年開始，LED的技術水平得到了一個很大的提升，白色的LED也在批量的生產，所以電子儀器中的指示燈采用LED的產品比較多。
2、電子板顯示器
1990年初期，LED產品就有用在公告板中，但是當時只有一種顏色可以選擇，就是橙色，而且亮度還是很低的。所以在那個時候，LED公告板只能在室內使用。
在這個時間段以后，LED生產技術的提升，研究LED的科學人員成功研制出了高亮度的發(fā)光LED，從這個時候開始，就可以開始在白天明亮度的地方使用LED顯示板。
這個LED顯示板有明顯的節(jié)能效果，相比傳統(tǒng)的電視墻，多彩霓虹燈的顯示比較，LED不僅節(jié)能，還能夠很快的動態(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，能見度高，在晚上的時候能看的很清晰，從遠處看也方便。
另外LED信號燈可以根據(jù)周圍的亮度情況來自動的調整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(jié)能和使用時間長。
另外一方面，對于常年需要通電工作的LED信號燈產品來講，LED信號燈就是節(jié)能和使用時間長。如果按照傳統(tǒng)的白熾燈，如果白熾燈在工作的時候里面的燈絲燒壞了，更換一個信號燈的話，可能就會形成交通擁堵，所以綜合比較下來，LED交通信號燈產品更加的有優(yōu)勢。
4、背光源顯示領域
隨著LED技術的不斷更新，LED產品在背光領域也是占有一片天。LED產品逐漸取代熒光燈管的背光顯示作用。因為LED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。
照明領域
1、室內照明。
室內照明一般來講，使用的光源顏色是白光。翻開歷史的篇章，LED從1996年開始，LED的發(fā)光效率和亮度逐年的提升，以現(xiàn)在市場上的白光亮度來講，行業(yè)內的亮度基本達到了130流明每瓦。
隨著LED技術的提升，LED的價格也在不斷的下降，所以LED越來越取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，形成了市面上通用的照明產品。基于這個因素，LED白光的市場會是一塊很大的蛋糕。
2、室內裝修照明產品。
通過三基色的配比，控制電流，LED產品可以實現(xiàn)很多中顏色的變換。也是這個原因，增加人們對LED產品的認識。在這個豐富多彩的世界，人們選擇裝飾產品也是豐富多彩的，人們在裝飾的過程中，偏向于強調色彩的美感。LED光源產品顏色的多樣化促進了LED燈飾的發(fā)展。
3、城市內景觀裝飾照明。
景觀照明通俗的講就是公共場所的裝飾照明。國內某些市政工程，市政單位，為了提升城市的形象，往往在這個城市景觀照明這塊投入大手筆。另外在北上廣深這幾個大城市的景觀照明示范工程取得良好的帶頭作用，LED景觀照明越來越受到國內中小城市的青睞。
4、汽車照明。
眾所周知，LED產品具有節(jié)能，使用時間長，反應速度快的原因，LED照明產品已經(jīng)在汽車照明這塊領域大打出手。目前LED車用燈受到相關認證的限制，LED車燈市場增長緩慢。但是后期，隨著LED生產技術的不斷提升，與及LED價格的不斷下降，LED產品未來會占據(jù)整個車用照明領域。
傳感技術領域
1、全自動門傳感器
LED產品不僅有白色的顏色，可見光的顏色，更還有不可見光的紅外和紫外。紅外產品可以用在自動門感應領域。LED傳感產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器中，LED作為光源接近并照亮物體。條形碼讀寫器中的傳感器以0.1mm的分辨率讀取條形碼的數(shù)據(jù)。LED傳感技術與傳統(tǒng)的半導體激光器的條碼掃描儀相比較，采用LED傳感技術的成本更加的低，而且讀取的距離也更加的近，在一定的程度上會提升工作的效率。
打印領域
隨著LED行業(yè)的發(fā)展，LED技術也在不斷的提升與創(chuàng)新。LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明的同時也在代替其他類別的產品。
例如代替了激光打印技術層次。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。
激光打印還有一個弊端，就是掃描器制作的高昂成本。現(xiàn)在的激光打印就是用掃描器進行掃描，如果利用LED做成打印機的話，就是通過條狀的高亮度LED代替掃描器。
盡管目前的狀況來講，LED打印機還是處于剛起步的階段，但是隨著LED技術的不斷成熟，突破與發(fā)展，LED打印機后期會成為市場的主流產品。
本文轉載自傳感器技術。
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