來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

一提起LED是什么，很多人都會下意識的回答道發(fā)光二極管。但是談到具體的作用和構(gòu)成時，很多人就一知半解了。許多熱知識也是一樣，表層的東西大眾接受度都很高，越往內(nèi)核走，越高深的時候，相對來減少的就是懂行資深的專業(yè)人員了。因此有關(guān)于LED的詳細(xì)分析，請看下面的內(nèi)容。

發(fā)光二極管是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件，透過三價與五價元素所組成的復(fù)合光源。此種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能夠發(fā)出低光度的紅光，被惠普買下專利后當(dāng)作指示燈利用。及后發(fā)展出其他單色光的版本，時至今日，能夠發(fā)出的光已經(jīng)遍及可見光、紅外線及紫外線，光度亦提高到相當(dāng)高的程度。用途由初時的指示燈及顯示板等；隨著白光發(fā)光二極管的出現(xiàn)，近年逐漸發(fā)展至被普遍用作照明用途。

發(fā)光二極管只能夠往一個方向?qū)ǎㄍ姡?，叫作正向偏置，?dāng)電流流過時，電子與電洞在其內(nèi)復(fù)合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體物料種類與故意摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有效率高、壽命長、不易破損、反應(yīng)速度快、可靠性高等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)。白光LED的發(fā)光效率近年有所進(jìn)步；每千流明成本，也因?yàn)榇罅康馁Y金投入使價格下降，但成本仍遠(yuǎn)高于其他的傳統(tǒng)照明。雖然如此，近年仍然越來越多被用在照明用途上。

不過到了2014年，白光LED的研究終于有了重大突破。日本3位科學(xué)家天野浩與赤崎勇、中村修二憑借著「發(fā)明高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管，帶來了節(jié)能明亮的白色光源」，共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。終于是在這一年人們集齊了三原色的發(fā)光二極管，由此使得白光LED的發(fā)光效率有了質(zhì)的飛躍。那很多人可能會問了，怎么發(fā)明了一個新的顏色就能拿諾獎了啊，發(fā)光二極管有那么神？不用心急，接著了解就可。

發(fā)展歷史

1961年，美國公司德州儀器的Robert Biard與Gary Pittman首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵及其他半導(dǎo)體合金的紅外放射作用。1962年，通用電氣公司的尼克·何倫亞克開發(fā)出第一種可實(shí)際應(yīng)用的可見光發(fā)光二極體。

1993年，日本日亞化學(xué)工業(yè)（Nichia Corporation）工作的中村修二成功把鎂摻入，造出了基于寬能隙半導(dǎo)體材料氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）、具有商業(yè)應(yīng)用價值的藍(lán)光發(fā)光二極管。中村修二于2014年因此工作與天野浩及赤崎勇得到諾貝爾物理學(xué)獎。部分評論認(rèn)為，諾貝爾獎跳過了紅色、綠色LED的發(fā)明者并不公平。但諾貝爾委員會（物理學(xué)獎）委員長Per Delsing（瑞典Chalmers University of Technology教授）在《讀賣新聞》專訪中提出反駁，他堅(jiān)稱「仔細(xì)研究發(fā)明的貢獻(xiàn)度之后，有十足信心決定這3個人獲獎」。

有了藍(lán)光發(fā)光二極管后，白光發(fā)光二極管也隨即面世，之后LED便朝增加光度的方向發(fā)展，當(dāng)時一般的LED工作功率都小于30至60mW（毫瓦）。1999年輸入功率達(dá)1W（瓦）的發(fā)光二極管商品化。這些發(fā)光二極管都以特大的半導(dǎo)體晶片來處理高電能輸入的問題，而半導(dǎo)體晶片都是被固定在金屬片上，以助散熱。

2002年，在市場上開始有5W的發(fā)光二極管的出現(xiàn)，而其效率大約是每瓦18-22 lm（流明）。

2003年9月，Cree, Inc.公司展示了其新款的藍(lán)光發(fā)光二極管，在20mW下效率達(dá)35%。他們亦制造了一款達(dá)65 lm/W（流明每瓦）的白光發(fā)光二極管商品，這是當(dāng)時市場上最亮的白光發(fā)光二極管。2005年他們展示了一款白光發(fā)光二極管原型，在350mW下，創(chuàng)下了每瓦70 lm的記錄性效率。

2009年2月，日本發(fā)光二極管廠商日亞化學(xué)工業(yè)發(fā)表了效率高達(dá)249 lm/W的發(fā)光二極管，此乃實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。

2010年2月，Philips Lumileds造一白色LED在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)測試條件及以350mA電流推動下得出208lm/W，但由于該公司無透露當(dāng)時的偏壓電壓，所以未能得知其功率。

2012年4月，美國發(fā)光二極管大廠科銳（Cree）推出254 lm/W光效再度刷新功率。

OLED的工作效率比起一般的發(fā)光二極管低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生產(chǎn)成本低得多，例如可以用簡單的印制方法將特大的OLED陣列安放在螢?zāi)簧?，用以制造彩色顯示幕。

優(yōu)點(diǎn)

能量轉(zhuǎn)換效率高（電能轉(zhuǎn)換成光能的效率） - 也即較省電。

反應(yīng)時間短- 可以達(dá)到很高的閃爍頻率。

使用壽命長- 且不因連續(xù)閃爍而影響其壽命。

在安全的操作環(huán)境下可達(dá)到10萬小時的壽命，即便是在50度以上的高溫，使用壽命還有約4萬小時。（螢光燈T8為8000小時、T5為20000小時、白熾燈為1,000 ~ 2,000小時）。

耐震蕩等機(jī)械沖擊- 由于是固態(tài)元件，沒有燈絲、玻璃罩等，相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震蕩。

體積小- 其本身體積可以造得非常細(xì)?。ㄐ∮?mm）。

便于聚焦- 因發(fā)光體積細(xì)小，而易于以透鏡等方式達(dá)致所需集散程度，借改變其封裝外形，其發(fā)光角度由大角度散射至細(xì)角度聚焦都可以達(dá)成。

單色性強(qiáng)- 由于是單一能級光出的光子，波長比較單一（相對大部份人工光源而言），能在不加濾光器下提供多種單純的顏色。

缺點(diǎn)

效率受高溫影響而急劇下降，浪費(fèi)電力之余也產(chǎn)生更多熱，令溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)。除浪費(fèi)電力也縮短壽命，因此需要良好散熱。

由于LED的驅(qū)動電壓較低，一般家用電壓為100V~240V，需要將LED及變壓器包裝為燈泡或燈管才能應(yīng)用于家中，而在降低成本的考量下，許多市售產(chǎn)品搭配品質(zhì)較差的變壓器，而加快損壞的可能。

發(fā)光二極管光度并非與電流成線性關(guān)系，光度調(diào)節(jié)略為復(fù)雜。

成本較高，售價較高。

因?yàn)榘l(fā)光二極管為光源面積小、分布較集中，作照明用途時會刺眼，須運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)分散光源。

每枚發(fā)光二極管因生產(chǎn)技術(shù)問題都會在特性（亮度、顏色、偏壓…等）上有一定差異，即使是同一批次的發(fā)光二極管差異也不少。

基本原理

發(fā)光二極體是一種特殊的二極體。和普通的二極體一樣，發(fā)光二極體由半導(dǎo)體晶片組成，這些半導(dǎo)體材料會預(yù)先透過注入或攙雜等工藝以產(chǎn)生p、n架構(gòu)。與其它二極體一樣，發(fā)光二極體中電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極（陰極），而相反方向則不能。兩種不同的載流子：電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構(gòu)。當(dāng)電洞和電子相遇而產(chǎn)生復(fù)合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量（光子也即是我們常稱呼的光）。

它所發(fā)射出的光的波長（顏色）是由組成p、n架構(gòu)的半導(dǎo)體物料的禁帶能量決定。由于矽和鍺是間接帶隙材料，在常溫下，這些材料內(nèi)電子與電洞的復(fù)合是非輻射躍遷，此類躍遷沒有釋出光子，而是把能量轉(zhuǎn)化為熱能，所以矽和鍺二極體不能發(fā)光（在極低溫的特定溫度下則會發(fā)光，必須在特殊角度下才可發(fā)現(xiàn)，而該發(fā)光的亮度不明顯）。發(fā)光二極體所用的材料都是直接帶隙型的，因此能量會以光子形式釋放，這些禁帶能量對應(yīng)著近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

發(fā)展初期，采用砷化鎵（GaAs）的發(fā)光二極體只能發(fā)射出紅外線或紅光。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，新研發(fā)成功的發(fā)光二極體能夠發(fā)射出頻率越來越高的光波。現(xiàn)今，已可制成各種顏色的發(fā)光二極體。

二極體通常建構(gòu)于N型基板，在其表面沉積一層P型半導(dǎo)體，用電極連結(jié)在一起。P型基板比較不常見，但也有被使用。很多商業(yè)發(fā)光二極體，特別是GaN/InGaN，也會使用藍(lán)寶石基板。

大多數(shù)用來制成發(fā)光二極體的物質(zhì)具有非常高的折射率。這意味著大部分光波會在物質(zhì)與空氣的介面會被反射回物質(zhì)，因此，光波萃取對于發(fā)光二極體是很重要的論題，大量研究與發(fā)展都聚焦于這論題。

白光LED發(fā)光的原理

發(fā)光二極管本身是單色光源，而自然界的白光（陽光）的光譜則是包含各種顏色，所以LED不可能完全達(dá)到如自然光的效果。白光發(fā)光二極管是通過發(fā)出三源色的單色光（藍(lán)、綠、紅）或以螢光劑把發(fā)光二極管發(fā)出的單色光轉(zhuǎn)化，使整體光譜含為含有三源色的光譜，刺激人眼感光細(xì)胞，使人有看見白光的感覺。

結(jié)合藍(lán)光發(fā)光二極管、紅光發(fā)光二極管和綠光發(fā)光二極管便可做出白光發(fā)光二極管，這樣產(chǎn)生的白光發(fā)光二極管有較廣的色域，而且效率較其他方法高，不過成本相當(dāng)高。近年生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)下，越來越多產(chǎn)品采用這方法。

現(xiàn)在普及的白光發(fā)光二極管都采用單一發(fā)光單元發(fā)出波長較短的光，如藍(lán)或紫外光，再用磷光劑把部份或全部光轉(zhuǎn)化成一頻譜含有綠、紅光等波長較長的光。這種光波波長轉(zhuǎn)化作用稱為螢光，原理是短波長的光子（藍(lán)、紫、紫外光）被螢光物質(zhì)（如磷光劑）中的電子吸收后，電子被激發(fā)（跳）至較高能量、不穩(wěn)定的激發(fā)狀態(tài)，之后電子在返回原位時，一部份能量散失成熱能，一部份以光子形式放出，由于放出的光子能量比之前的小，所以波長較長。由于轉(zhuǎn)化過程中有部份能量化成熱能，造成能量損耗，因此這類白光發(fā)光二極管的效率較低。

發(fā)光單元有采用藍(lán)光發(fā)光二極管的，也有采用紫外光發(fā)光二極管的。日亞化學(xué)工業(yè)開發(fā)并從1996年開始生產(chǎn)的白光發(fā)光二極管采用藍(lán)光發(fā)光二極管作發(fā)光單元，波長450 nm至470 nm，磷光劑通常是摻雜了鈰的釔 - 鋁 - 鎵（Ce 3+ :YAG ，實(shí)際上單晶的摻鈰（Ce）的YAG被視為閃爍器多于磷光體。）。發(fā)光二極管發(fā)出的部份藍(lán)光由螢光劑轉(zhuǎn)換成黃光為主的較寬光譜（光譜中心約為580nm），由于黃光能刺激人眼中的紅光和綠光受體，加上原有剩余的藍(lán)光刺激人眼中的藍(lán)光受體，看起來就像白色光，而其所呈現(xiàn)的色澤常被稱作“月光的白色”。若要調(diào)校淡黃色光的顏色，可以把摻雜在Ce 3+ :YAG中的鈰（Ce）換作其他稀釋金屬，例如鋱或釓，甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的模式做到。而基于其光譜的特性，紅色和綠色的物體在這種發(fā)光二極管照射下看起來會不及寬頻譜光源照射時那么鮮明。

另外由于生產(chǎn)工藝的波動，這種發(fā)光二極管的成品的色溫并不統(tǒng)一，從暖的黃色到冷的藍(lán)色都有，所以在生產(chǎn)過程中會以其出來的特性作出區(qū)分。而這種發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)是把藍(lán)光發(fā)光二極管封進(jìn)混入了磷光劑的環(huán)氧樹脂中而造成，但也有較復(fù)雜的方法，由Philips Lumileds取得專利的方法便是把磷光劑涂在發(fā)光二極管上，值由控制磷光劑的厚度增加效率。

另一種白光發(fā)光二極管的發(fā)光原理跟螢光燈是一樣的。發(fā)光單元是紫外光發(fā)光二極管，外面包著兩種磷光劑混合物，一種是發(fā)紅光和藍(lán)光的銪，另一種磷光劑是發(fā)綠光的銅和鋁摻雜了硫化鋅。內(nèi)里的紫外光發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光被外層的磷光劑轉(zhuǎn)換成紅、藍(lán)、綠三色光，混合后就成了白光。但由于紫外線會使黏合劑中的環(huán)氧樹脂劣化變質(zhì)，所以生產(chǎn)難度較高，而壽命亦較短。與第一種方法比較，因?yàn)樗雇锌怂绢l移（Stokes Shift）前者較大，光波在轉(zhuǎn)化過程中有較多被化成熱能，因此效率較低，但好處是光譜的特性較佳，產(chǎn)生的光比較好看。而由于紫外光的發(fā)光二極管功率較高，所以其效率雖比較第一種方法低，但出來的亮度卻相若。

最新一種制造白光發(fā)光二極管的方法沒再用上磷光體。新的做法是在硒化鋅基板上生長硒化鋅的磊晶層。通電時其活躍地帶會發(fā)出藍(lán)光而基板會發(fā)黃光，混合起來便是白色光。

審核編輯 黃昊宇