發光二極管,通常稱為LED，是在電子學世界裏麵的真正無名英雄。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。

 

 

什麼是二極管?

 

二極管是半導體設備中的一種最常見的器件，大多數半導體最是由攙雜半導體材料製成(原子和其它物質)
，發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，由於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域向正電區域流動。

 

帶額外“電子空穴”的半導體叫做P型半導體，由於帶有正電粒子。電子可以從另一個電子空穴跳向另一個電子空穴，從從負電區域向正電區域流動。

 

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。這樣排列使電流隻能從一個方向流動。

 

當沒有電壓通過二極管時，電子就沿著過渡層之間的彙合處從N型半導體流向P型半導體，從而形成一個損耗區。

 

在損耗區中
，半導體物質會回複到它原來的絕緣狀態——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和電流不能流動。

 

 

為了除掉損耗區就必須使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。損耗區消失，電流通過二極管。

 

 

如果嚐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彙合處，損耗區增加。

 

發光二極管為什麼會發光？

 

當pn結兩端做好電極引出管腳並封裝好後，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，有的可以發光；這些隻不過是參數的調節或者材料的改變，其基本原理是相同的。

 

 

光(guang)是(shi)能(neng)量(liang)的(de)一(yi)種(zhong)形(xing)式(shi)，一(yi)種(zhong)可(ke)以(yi)被(bei)原(yuan)子(zi)釋(shi)放(fang)出(chu)來(lai)。是(shi)由(you)許(xu)多(duo)有(you)能(neng)量(liang)和(he)動(dong)力(li)但(dan)沒(mei)質(zhi)量(liang)的(de)微(wei)小(xiao)粒(li)子(zi)似(si)的(de)小(xiao)捆(kun)組(zu)成(cheng)的(de)。這(zhe)些(xie)粒(li)子(zi)被(bei)叫(jiao)做(zuo)光(guang)子(zi)，是(shi)光(guang)的(de)最(zui)基(ji)本(ben)單(dan)位(wei)。光(guang)子(zi)是(shi)因(yin)為(wei)電(dian)子(zi)移(yi)動(dong)才(cai)釋(shi)放(fang)出(chu)來(lai)。電(dian)子(zi)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)軌(gui)函(han)數(shu)有(you)著(zhe)不(bu)同(tong)等(deng)的(de)能(neng)量(liang)。

 

 

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區空穴向n區擴散
、n區電子向p區擴散
，等效於外加電場給n區注入空穴
、給p區注入電子。

 

注入n區的空穴很快與電子複合輻射光子，注入p區的電子也很快與空穴複合輻射光子， pn結就在電場的作用下就不斷的發光。在外加正向電壓很小時，注入載流子的量極小
，肉眼看不到發出的光；

 

隻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出明亮的光。

 

對dui於yu發fa光guang二er極ji管guan

，需xu要yao注zhu入ru的de電dian子zi和he空kong穴xue盡jin快kuai地di複fu合he，複fu合he電dian流liu占zhan總zong電dian流liu的de比bi例li越yue大da發fa光guang效xiao率lv越yue高gao，讓rang電dian能neng更geng多duo地di轉zhuan化hua為wei光guang能neng而er不bu是shi熱re能neng；而普通二極管一般需要注入的電子和空穴盡量少地複合。

 

自由電子從P型xing層ceng通tong過guo二er極ji管guan落luo入ru空kong的de電dian子zi空kong穴xue。這zhe包bao含han從cong傳chuan導dao帶dai跌die落luo到dao一yi個ge更geng低di的de軌gui函han數shu，所suo以yi電dian子zi就jiu是shi以yi光guang子zi形xing式shi釋shi放fang能neng量liang。這zhe在zai任ren何he二er極ji管guan裏li都dou會hui發fa生sheng的de，在zai普pu通tong二er極ji管guan裏li
，半ban導dao體ti材cai料liao本ben身shen吸xi引yin大da量liang的de光guang能neng而er結jie束shu。

 

 

發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光二極管，有的發綠光，有的發紅光
，有的發藍光，光彩奪目，還有的發不可見的紅外和紫外光。

 

那麼
，是什麼決定了二極管發不同顏色的光？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就等於禁帶寬度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光的顏色。

 

白光發光二極管發出的白光不是單色光
，而是由多種光混合而成。常見的白光發光二極管使用的是氮化镓半導體材料，其禁帶寬度約3.39eV，形成的pn結發的是藍光（已通過雜質能級調節光子能量）。但是，在二極管中的pn結外麵塗有一層黃光熒光粉，當藍光打到黃光熒光粉上後
，發光二極管就發出黃藍光混合而成的白光。

 

發光二極管的發展曆程

 

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出光。這個發現奠定了LED被發明的物理基礎。

 

1927年，俄羅斯科學家奧列弗拉基洛謝夫獨立製作了世界上第一顆LED
，其研究成果曾先後在俄國、德國和英國的科學雜誌上發表
，可惜當時並沒有人理睬他。

 

 

1955年，美國無線電公司33歲的物理學家魯賓·布bu朗lang石shi泰tai首shou次ci發fa現xian了le砷shen化hua镓jia及ji其qi他ta半ban導dao體ti合he金jin的de紅hong外wai放fang射she作zuo用yong並bing在zai物wu理li上shang實shi現xian了le二er極ji管guan的de發fa光guang

，可ke惜xi發fa出chu的de光guang不bu是shi可ke見jian光guang而er是shi紅hong外wai線xian，但dan這zhe個ge貢gong獻xian也ye很hen大da了le。

 

1961年，德州儀器公司（TI）的科學家鮑勃·布萊德和加裏·皮特曼發現砷化镓在施加電子流時會釋放紅外光輻射。他們率先生產出了用於商業用途的紅外LED並獲得了砷化镓紅外二極管的發明專利。不久，紅外LED就被廣泛應用於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·何倫亞克發明了可以發出紅色可見光的LED
，被稱為“發光二極管之父”，後來也獲得了N多獎項。當時的LED還隻能手工製造，而且每隻的售價需要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係教授，培養自己的接班人。

 

1972年，何倫亞克的學生喬治·克勞福德踏著前輩們的腳步發明了第一顆橙黃光LED，其亮度是先前紅光LED的10倍
，這標誌著LED向著提高發光效率方向邁出的第一步。

 

20世紀70年代末期，LED已經出現了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，但依然沒有藍色和白色光的LED。因為隻有發明出藍光LED才可能實現全彩色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的發光效率上麵。

 

20世紀70年代中期，LED可產生綠、黃、橙色光時
，發光效為1流明/瓦，到了20世紀80年代中期對砷化镓和磷化鋁的使用使得第一代高亮度紅、黃

、綠色光LED誕生，發光效率已達到10流明/瓦。

 

1993年
，中村修二在日本日亞化學工業株式 會社就職期間，利用半導體材料氮化镓（GaN）和銦氮化稼發明了藍光LED，在藍光LED出現之前，由於無法通過RGB係統合成白光
，LED的光效、亮度也不高
，LED無法應用於照明領域。

 

因此在1995年中村修二采用銦氮化稼又發明了綠光LED，在1998年利用紅
、綠、藍三種LED製成白光LED，從此綠光與白光LED研製成功，標誌著LED正式進入照明領域，是LED照明發展最關鍵的裏程碑。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的發明專利就是在藍光LED芯片上塗覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發出的藍光與熒光粉被激活後發出的黃光互補而形成白光。藍色和白色光LED的出現拓寬了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已經可以發出任何可見光譜顏色的光（還包括有紅外線和紫外線）。其發光效率已經達到100流明/瓦以上。

 

發光二極管的

 

優點和缺點

 

LED的優點主要有：

 

1、節能,比白熾燈節能80%以上,比節能燈節能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光源的發光顏色和色溫都可以靈活應用。

 

5、.方向性好，LED發光角度可以靈活調整。

 

6
、環保：沒有節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的使用壽命與發光表現。

 

2、防水性能差，是戶外使用的一個致命弱點光源內部吸水後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。

 

發光二極管的種類

 

1、按發光管發光顏色分：

 

按發光管發光顏色可分成紅色
、橙色


、綠色（又細分黃綠
、標準綠和純綠）、藍光等。

 

另外，有的發光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據發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。散射型發光二極管和達於做指示燈用。

 

2
、按發光管出光麵特征分：

 

按發光管出光麵特征可分為分圓燈
、方燈

、矩形、麵發光管
、側向管
、表麵安裝用微型管等。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光強度角分布情況。

 

從發光強度角分布圖來分有三類：
 

（1）高指向性。一般為尖頭環氧封裝，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
，或與光檢出器聯用以組成自動檢測係統。

 

（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、按發光二極管的結構分：

 

按發光二極管的結構可分為全環氧包封
、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

 

4、按發光強度和工作電流分：

 

按發光強度和工作電流可分為普通亮度的LED（發光強度<10mcd）
；超高亮度的LED（發光強度>100mcd）；把發光強度在 10～100mcd間的叫高亮度發光二極管。

 

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（亮度與普通發光管相同）。

 

通常，根據結構，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表麵貼裝二極管

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:廣泛用於照明燈具上。

 

 

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非常適合製成線條燈、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

、舞台裝飾、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。

 

 

 

 

發光二極管的應用領域

 

以現在市場來講，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(de)用(yong)途(tu)是(shi)替(ti)代(dai)電(dian)子(zi)儀(yi)器(qi)的(de)指(zhi)示(shi)燈(deng)。這(zhe)個(ge)為(wei)什(shen)麼(me)是(shi)這(zhe)樣(yang)的(de)原(yuan)因(yin)呢(ne)

？主(zhu)要(yao)是(shi)因(yin)為(wei)電(dian)子(zi)儀(yi)器(qi)的(de)指(zhi)示(shi)燈(deng)效(xiao)果(guo)有(you)一(yi)個(ge)很(hen)嚴(yan)格(ge)的(de)標(biao)準(zhun)，那(na)就(jiu)是(shi)耐(nai)用(yong)度(du)高(gao)。在(zai)那(na)個(ge)時(shi)候(hou)

，白(bai)熾(chi)燈(deng)的(de)耐(nai)用(yong)性(xing)比(bi)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chan品pin是shi屬shu於yu高gao科ke技ji產chan品pin
，所suo以yi價jia格ge是shi很hen貴gui的de。在zai光guang色se方fang麵mian，隻zhi有you紅hong色se，而er且qie亮liang度du還hai不bu是shi很hen亮liang，所suo以yi很hen多duo電dian子zi儀yi器qi的de指zhi示shi燈deng還hai是shi用yong小xiao型xing的de藍lan色se，綠lv色se，和he白bai色se的de白bai熾chi燈deng。

 

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，但是當時隻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公告板隻能在室內使用。

 

在這個時間段以後
，LED生產技術的提升，研究LED的科學人員成功研製出了高亮度的發光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顯示板有明顯的節能效果
，相比傳統的電視牆，多彩霓虹燈的顯示比較，LED不僅節能，還能夠很快的動態輸出文字和圖像功能。

 

3、公共交通信號顯示方麵

 

 

采用LED交通信號燈的做大優勢就是LED的發光亮度大，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勢就是節能和使用時間長。

 

另外一方麵
，對於常年需要通電工作的LED信號燈產品來講，LED信xin號hao燈deng就jiu是shi節jie能neng和he使shi用yong時shi間jian長chang。如ru果guo按an照zhao傳chuan統tong的de白bai熾chi燈deng
，如ru果guo白bai熾chi燈deng在zai工gong作zuo的de時shi候hou裏li麵mian的de燈deng絲si燒shao壞huai了le，更geng換huan一yi個ge信xin號hao燈deng的de話hua，可ke能neng就jiu會hui形xing成cheng交jiao通tong擁yong堵du，所suo以yi綜zong合he比bi較jiao下xia來lai
，LED交通信號燈產品更加的有優勢。

 

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，可以直接從麵板液晶的後端直接的發光，而且照射的範圍角度大，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。翻開曆史的篇章

，LED從1996年開始，LED的發光效率和亮度逐年的提升，以現在市場上的白光亮度來講
，行業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越來越取代傳統的白熾燈和熒光燈，形成了市麵上通用的照明產品。基於這個因素
，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，控製電流，LED產品可以實現很多中顏色的變換。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，偏向於強調色彩的美感。LED光源產品顏色的多樣化促進了LED燈飾的發展。

 

3、城市內景觀裝飾照明。

 

 

景(jing)觀(guan)照(zhao)明(ming)通(tong)俗(su)的(de)講(jiang)就(jiu)是(shi)公(gong)共(gong)場(chang)所(suo)的(de)裝(zhuang)飾(shi)照(zhao)明(ming)。國(guo)內(nei)某(mou)些(xie)市(shi)政(zheng)工(gong)程(cheng)，市(shi)政(zheng)單(dan)位(wei)
，為(wei)了(le)提(ti)升(sheng)城(cheng)市(shi)的(de)形(xing)象(xiang)

，往(wang)往(wang)在(zai)這(zhe)個(ge)城(cheng)市(shi)景(jing)觀(guan)照(zhao)明(ming)這(zhe)塊(kuai)投(tou)入(ru)大(da)手(shou)筆(bi)。另(ling)外(wai)在(zai)北(bei)上(shang)廣(guang)深(shen)這(zhe)幾(ji)個(ge)大(da)城(cheng)市(shi)的(de)景(jing)觀(guan)照(zhao)明(ming)示(shi)範(fan)工(gong)程(cheng)取(qu)得(de)良(liang)好(hao)的(de)帶(dai)頭(tou)作(zuo)用(yong)，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產品具有節能
，使用時間長
，反應速度快的原因
，LED照明產品已經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製
，LED車燈市場增長緩慢。但是後期
，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傳感在照度範圍更加的有優勢。

 

2、條形碼掃描儀

 

在普通的的條形碼讀寫器中，LED作為光源接近並照亮物體。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據。LED傳感技術與傳統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行業的發展
，LED技術也在不斷的提升與創新。LED代替傳統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

，那麼激光打印也就被替代掉了。

 

激光打印還有一個弊端，就是掃描器製作的高昂成本。現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打印機還是處於剛起步的階段，但是隨著LED技術的不斷成熟，突破與發展，LED打印機後期會成為市場的主流產品。

 

本文轉載自傳感器技術。

 

 

推薦閱讀：