發光二極管

發光二極管
圖片參考：http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cb/RBG-LED.jpg/300px-RBG-LED.jpg
（英文：Light-Emitting Diode，簡稱LED）是一種半導體元件。初時多用作為指示燈、顯示板等；隨着白光發光二極管的出現，也被用作照明。它是21世紀的新型光源，具有效率高、壽命長、不易破損等傳統光源無法與之比較的優點。加正向電壓時，發光二極管能發出單色、不連續的光，這是電致發光效應的一種。改變所採用的半導體材料的化學組成成分，可使發光二極管發出在近紫外線、可見光或紅外線的光。

1955年，美國無線電公司（Radio Corporation of America）的魯賓·布朗石泰（Rubin Braunstein）生首次發現了砷化鎵（GaAs）及其他半導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（Nick Holonyak Jr.）開發出第一種實際應用的可見光發光二極管，造福人群。

優點
發光（能量轉換）效率高 - 也即較省電。但只在低光度（如手提電話的背光）下才有高效率，當光度提高到可作照明用途時（如枱頭燈），LED的效率雖然比鎢絲燈泡高，但仍比螢光燈（俗稱日光燈管）差。
反應（開關）時間快 - 可以達到很高的閃爍頻率。
使用壽命長 - 在適當的散熱和應用環境下可達35,000 ~ 50,000小時，相對螢光燈為10,000 ~ 15,000小時，白熾燈為1,000 ~ 2,000小時。
耐震盪等機械衝擊 - 由於是固態元件，沒有燈絲，相對螢光燈、白熾燈等能承受更大震盪。
體積小 - 其本身體積可以造得非常細小（小於2mm）。
便於聚焦 - 因發光體積細小，易於而以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外形，方向性從大角度的散射以至集中於細角度都可以達到。
多種顏色 - 能在不加濾光器下提供多種不同顏色，而且單色性強。
色域豐富 - 白色LED覆蓋色域較其他白色光源廣。
冷光束 - LED光束本身不包含紅外或者紫外，對注重保護被照對象的場合，如博物館展品的照明應用最適合。
環保，沒有汞的有害物質，LED燈具部件可回收再利用。LED燈泡的組裝部件可以非常容易的拆裝，不用廠家回收都可以通過其它人回收。

缺點
散熱問題，如果散熱不佳會大幅縮短壽命。
除非購買高級產品、否則省電性還是低於螢光燈（冷陰極管，CCFL），有些LED的省電性也低於省電燈泡。
初期成本較高。
因光源屬於方向性，燈具設計需考量光學特性。
即使是同一批次的單顆LED與LED之間也存在着光通量，顏色和前向電壓的差別，一致性差。

發光二極管技術

原理

發光二極管是一種特殊的二極管。和普通的二極管一樣，發光二極管由半導體晶片組成，這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以產生p、n架構。與其它二極管一樣，發光二極管中電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極（負極），而相反方向則不能。兩種不同的載流子：空穴和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p、n架構。當空穴和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出能量。

它所發出的光的波長（決定顏色），是由組成p、n架構的半導體物料的禁帶能量決定。由於矽和鍺是間接帶隙材料，在這些材料在常溫下電子與空穴的複合是非輻射躍遷，此類躍遷沒有釋出光子，所以矽和鍺二極管不能發光。但在極低溫的特定溫度下則會發光，必須在特殊角度下才可發現，而該發光的亮度不明顯。發光二極管所用的材料都是直接帶隙型的，這些禁帶能量對應着近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

發展初期，採用砷化鎵（GaAs）的發光二極管只能發出紅外線或紅光。





單色
多原色/闊頻段

紫
白

顏色
λ波長（nm）
正向偏壓（V）
半導體
物質符號
正向偏壓（V）
構成
正向偏壓（V）
構成


紅外線
>760
< 1.9
砷化鎵
鋁砷化鎵
GaAs
AlGaAs
2.48-3.7
紅LED + 藍LED

藍LED + 紅磷

白LED + 藍色濾光器
2.9 - 3.5
藍LED + 黃磷

紫外線LED + 黃磷

紅LED + 綠LED + 藍LED


紅
760
至

610
1.63-2.03
鋁砷化鎵
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵鋁
磷化鎵（摻雜氧化鋅）
AlGaAs
GaAsP
AlGaInP
GaP:ZnO


橙
610
至
590
2.03-2.10
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵鋁
磷化鎵(摻雜?)
GaAsP
AlGaInP
GaP:?


黃
590
至
570
2.10-2.18
砷化鎵磷化物
磷化銦鎵鋁
磷化鎵
（摻雜氮）
GaAsP
AlGaInP
GaP:N


綠
570
至

500
2.18-4
銦氮化鎵/氮化鎵
磷化鎵
磷化銦鎵鋁
鋁磷化鎵
InGaN/GaN
GaP
AlGaInP
AlGaP


藍
500
至

450
2.48-3.7
硒化鋅
銦氮化鎵
碳化矽
矽（研發中）
ZnSe
InGaN
SiC
Si（研發中）


紫
450
至
380
2.76-4
銦氮化鎵
InGaN


紫外線
<380
3.1-4.4
碳（鑽石）
氮化鋁
鋁鎵氮化物
氮化鋁鎵銦
C(diamond)
AlN
AlGaN
AlGaInN











2010-05-05 18:29:37 補充：
隨着材料科學的進步，各種顏色的發光二極管，現今皆可製造。
以上是發光二極管的無機半導體原料及發光顏色：

中國傳統上的紫色以物理上光譜波長劃分有兩種，一種是波長由380nm至450nm的是段單色可見光，英語上稱為Violet，而另一種是由紅光加上藍光混合而成，英語上稱為Purple。要注意的是當兩個較長的波段紅、藍光混合一起時所產生的光譜會是紅藍光的光譜重疊在一起，而不會有比藍光波長更短的光產生。
黃磷又名白磷。

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发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

　　

圖片參考：http://imgsrc.baidu.com/baike/abpic/item/476217f7673da90b720eecbe.jpg


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它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

　　

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发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：


公式　　R＝（E－UF）／IF

　　式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流


物理特性　　式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

　　与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。


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，

圖片參考：http://imgsrc.baidu.com/baike/abpic/item/b3508d13eba13cb06438db35.jpg

发 光 二 极 管 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。

　　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PN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。


发光二极管分类　　发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。
1．普通单色发光二极管
　　　普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。

　　普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650 nm ，橙色发光二极管的波长一般为610~630 nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585 nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570 nm。

　　常用的国产普通单色发光二极管有BT（厂标型号）系列、FG（部标型号）系列和2EF系列，见表4-26、表4-27和表4-28。

　　常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和SLC系列等。
2．（超）高亮度单色发光二极管（2种）
　　　高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。

　　通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。

　　常用的高亮度红色发光二极管的主要参数见表4-29，常用的超高亮度单色发光二极管的主要参数见表4-30。
3．变色发光二极管
　　　变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。