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PAGE 3 PAGE 13 LED 基本知识培训教材 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 1960 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 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 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（λp=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（λp=555nm），黄光（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（λp=615nm）的光 效达到 100 流明/瓦，而后者制成的 LED 在绿色区域（λp=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 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（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