一、LED的結構及發(fā)光原理 ??
50年前人們已經(jīng)了解半導體材料可產(chǎn)生光線的基本知識,第一個商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode(發(fā)光二極管)的縮寫,它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料,置于一個有引線的架子上,然后四周用環(huán)氧樹脂密封,起到保護內(nèi)部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。 ??
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發(fā)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(shù)載流子與多數(shù)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(shù)載流子難以注入,故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管,通稱LED。 當它處于正向工作狀態(tài)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(fā)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(jù)產(chǎn)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(huán)境 ??
4. 穩(wěn)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(huán)境污染:無有害金屬汞 ??
7. 顏色:改變電流可以變色,發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法,調(diào)整材料的能帶結構和帶隙,實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED,隨著電流的增加,可以依次變?yōu)槌壬S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(fā)展歷史 ??
最早應用半導體P-N結發(fā)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(fā)紅光(λp=650nm),在驅(qū)動電流為20毫安時,光通量只有千分之幾個流明,相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。 ??
70年代中期,引入元素In和N,使LED產(chǎn)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(xiàn)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(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)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(qū)(λp=615nm)的光效達到100流明/瓦,而后者制成的LED在綠色區(qū)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(chǎn)生了很好的經(jīng)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(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)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(nèi),共耗電14瓦,即可產(chǎn)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(fā)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(fā) ??
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對于一般照明而言,人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)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(fā)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(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)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(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收,另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合,可以得到得白光?,F(xiàn)在,對于InGaN/YAG白色LED,通過改變YAG熒光粉的化學組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度,可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。
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