LED燈及其發光原理
一、LED的結構及發光原理
50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文light emitting diode（發光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 
發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。
二、LED光源的特點
1. 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。
2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%
3. 適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境
4. 穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%
5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級
6. 對環境污染：無有害金屬汞
7. 顏色：改變電流可以變色，發光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最后為綠色
8. 價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構成。
　　 三、單色光LED的種類及其發展歷史
最早應用半導體P-N結發光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發紅光（λp=650nm），在驅動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發光效率約0.1流明/瓦。
70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出現了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。
90年代初，發紅光、黃光的GaAlInP和發綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區（λp=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區域（λp=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。
　　 四、單色光LED的應用
最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。
汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發生。
另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。
五、白光LED的開發
對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發白光的LED開發成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光發射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，可以得到得白光。現在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。
表一列出了目前白色LED的種類及其發光原理。目前已商品化的第一種產品為藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發光效率約為25流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進口，價格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開發出以ZnSe為材料的白光LED，不過發光效率較差。
從表中也可以看出某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結構的黃色粉，在未來較被看好的是三波長光，即以無機紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預計三波長白光LED今年有商品化的機機會。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩定性要求也高，具體應用方面還在探索之中。
　表 一 白 色 LED 的 種 類 和 原 理
芯片數 激發源 發光材料 發光原理
1 藍色LED InGaN/YAG InGaN的藍光與YAG的黃光混合成白光
藍色LED InGaN/熒光粉 InGaN的藍光激發的紅綠藍三基色熒光粉發白光
藍色LED ZnSe 由薄膜層發出的藍光和在基板上激發出的黃光混色成白光
紫外LED InGaN/熒光粉 InGaN的紫外激發的紅綠藍三基色熒光粉發白光
2 藍色LED
黃綠LED InGaN、GaP 將具有補色關系的兩種芯片封裝在一起，構成白色LED
3 藍色LED
綠色LED
紅色LED InGaN
AlInGaP 將發三原色的三種小片封裝在一起，構成白色LED
多個 多種光色的LED InGaN、GaP
AlInGaP 將遍布可見光區的多種光芯片封裝在一起，構成白色LED
采用LED光源進行照明，首先取代耗電的白熾燈，然后逐步向整個照明市場進軍，將會節約大量的電能。近期，白色LED已達到單顆用電超過1瓦，光輸出25流明，也增大了它的實用性。表二和表三列出了白色LED的效能進展。
表 二 單 顆 白 色L ED 的 效 能 進展
年份 發光效能（流明/瓦） 備注
1998 5
199 15 相若白熾燈
2001 25 相若鹵鎢燈
2005 50 估計
表三 長遠發展目標
單顆白色LED
輸入功率 10瓦
發光效能 100流明/瓦
輸出光能 1000流明/瓦
六、業界概況 　　在LED業者中，日亞化學是最早運用上述技術工藝研發出不同波長的高亮度LED，以及藍紫光半導體激光（Laser Diode；LD），是業界握有藍光LED專利權的重量級業者。在日亞化學取得蘭色LED生產及電極構造等眾多基本專利后，堅持不對外提供授權，僅采自行生產策略，意圖獨占市場，使得藍光LED價格高昂。但其他已具備生產能力的業者相當不以為然，部分日系LED業者認為，日亞化工的策略，將使日本在藍光及白光LED競爭中，逐步被歐美及其他國家的LED業者搶得先機，屆時將對整體日本LED產業造成嚴重傷害。因此許多業者便千方百計進行藍光LED的研發生產。目前除日亞化學和住友電工外，還有豐田合成、羅沐、東芝和夏普，美商Cree，全球3大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及HP、Siemens、 Research、EMCORE等都投入了該產品的研發生產，對促進白光LED產品的產業化、市場化方面起到了積極的促進作用。
七、LED和常見光源的性能比較
名稱 耗電量（W） 工作電壓（v） 協調控制 發熱量 可靠性 使用壽命（h）
金屬鹵素燈 100 220 不易 極高 低 3000
霓虹燈 500 較高 高 高 宜室內 3000
鎂氖燈 16W/m 220 較好 較高 較好 6000
日光燈 4-100 220 不易 較高 低 5000-8000
冷陰極 15W/m 需逆變 較好 較低 較好 10000
鎢絲燈 15-200 220 不宜 高 低 3000
節能燈 3-150 220 不宜調光 低 低 5000
LED燈 極低 直流12-36V（可用220V） 多種形式 極低 極高 10萬