一、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理
50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)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(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)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(hù)內(nèi)部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。
發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片,在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層,稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)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(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)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(dāng)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(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。
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(yīng)時間:其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級,LED燈的響應(yīng)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(xué)修飾方法,調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)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?,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(dāng),而通常每組信號燈需由上300~500只二極管構(gòu)成。
三、單色光LED的種類及其發(fā)展歷史
最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)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(yīng)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(dá)到10流明/瓦。
90年代初,發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)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(dá)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(dá)到50流明/瓦。