LED的發(fā)光原理

LED的發(fā)光原理

實(shí)際上LED，就是發(fā)光二極管（light emitting diode）。基本結(jié)構(gòu)為一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體模塊，封裝在環(huán)氧樹脂中，通過(guò)針腳作為正負(fù)電極并起到支撐作用。主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。

其發(fā)光過(guò)程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過(guò)該晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過(guò)來(lái)與光的顏色對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。

LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多是二波長(zhǎng)，即以藍(lán)光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來(lái)較被看好的是三波長(zhǎng)白光LED，即以無(wú)機(jī)紫外光晶片加紅、藍(lán)、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場(chǎng)。

LED是怎樣發(fā)光的

如上圖，LED和我們常用的白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而是采用了電場(chǎng)發(fā)光。LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的芯片。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間得過(guò)渡層，便是我們常說(shuō)的P-N結(jié)。

PN結(jié)

當(dāng)Ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)，由于交界面處存在的載流子濃度差，于是電子和空穴都會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。我們知道，電子與空穴都是帶電的，其擴(kuò)散的結(jié)果就導(dǎo)致了Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)原來(lái)的電中性被破壞。這樣，Ｐ區(qū)一側(cè)失去空穴剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子，Ｎ區(qū)一側(cè)失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子。這些不能移動(dòng)的帶電粒子就是空間電荷。在空間電荷集中在Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)交界面附近，形成了一很薄的空間電荷區(qū)，就是P-N結(jié) 。

在P區(qū)一側(cè)為負(fù)電荷，N區(qū)為正電荷，于是空間電荷區(qū)，便出現(xiàn)了由N到P的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，這便是內(nèi)電場(chǎng)。由于內(nèi)電場(chǎng)的存在，使得P-N結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

當(dāng)我們給P-N結(jié)一個(gè)正向電壓，便改變了P-N結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡。注入的少數(shù)載流子（少子）與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合時(shí)，便將多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。如果給PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子（少子）難以注入，故不發(fā)光。

利用注入式電發(fā)光原理制作的二極管就是我們常說(shuō)得發(fā)光二極管，即LED。在LED得兩端加上正向電壓，電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線。調(diào)節(jié)電流，便可以調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度。

可以通過(guò)改變電流可以變色，這樣可以通過(guò)調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，便可以多色發(fā)光。

LED光源的基本特征主要包括以下五點(diǎn)：

１、發(fā)光效率高

LED經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明／瓦，熒光燈50～70流明／瓦，鈉燈90～140流明／瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達(dá)到達(dá)50～200流明／瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。目前，世界各國(guó)均加緊提高LED光效方面的研究，在不遠(yuǎn)的將來(lái)其發(fā)光效率將有更大的提高。

２、耗電量少

LED單管功率0.03～0.06瓦，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5～3.5伏，電流15～18毫安，反應(yīng)速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一、日本估計(jì)，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當(dāng)于60億升原油。就橋梁護(hù)欄燈例，同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩變化。

３、使用壽命長(zhǎng)

采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。LED燈具使用壽命可達(dá)5～10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用，避免經(jīng)常換燈之苦。

４、安全可靠性強(qiáng)

發(fā)熱量低，無(wú)熱輻射，冷光源，可以安全抵摸：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無(wú)眩光；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強(qiáng)度，調(diào)整發(fā)光方式，實(shí)現(xiàn)光與藝術(shù)結(jié)合。

５、有利于環(huán)保

LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒(méi)有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護(hù)。

當(dāng)然，節(jié)能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴，但是用一年時(shí)間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得4～9年中每年幾倍的節(jié)能凈收益期。