“发光二极管(英语:light-emitting diode,LED)是一种半导体光源,当电流通过它时会发光;即一种电致发光的半导体电子器件,其内电子与电子空穴复合,以光子的形式释放能量。
”
作者:朱晓明
LED是被称为"发光二极管"的半导体
名称取自"Light Emitting Diode" 的首字母。1993年基于氮化镓制造出的高亮度蓝色LED实现商用化,随之制造出白色LED,该白色LED作为第4照明光源备受注目。
发光二极管(英语:light-emitting diode,LED)是一种半导体光源,当电流通过它时会发光;即一种电致发光的半导体电子器件,其内电子与电子空穴复合,以光子的形式释放能量。
发光二极管结构的核心部分是p-n结,周边部分有环氧树脂密封其引线与框架以保护内部芯线。当p-n结通以正向电流时,能发射可见或非可见辐射,此辐射为透过三价与五价元素所组成复合光源。
发光二极管只能够往一个方向导通(通电),叫作正向偏置;当电流流过时,电子与空穴(电子空穴)在其内复合而发出单色光,这叫“电致发光效应”;而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。发光二极管具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。
发光二极管于1962年出现时,只能发出低光度的红光,被惠普买下专利后当作指示灯利用。其后发展出其他单色光的版本,时至今日,能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线,光度亦提高到相当高的程度。随着白光发光二极管的出现,用途已由初期的指示灯及显示板等指示用途,逐渐发展至近年的照明用途。白光LED的发光效率近期亦有所进步,其每千流明成本,因大量资金投入已使价格下降,近年在照明用途上愈趋普及。
1、LED是如何被发明出来的
LED(发光二极管)的发明是一个多阶段的过程,涉及许多科学家的贡献。以下是LED发明的一些关键历史时刻:
1.早期理论和实验:
• 1907年:英国科学家H.J. Round首次观察到半导体材料碳化硅(SiC)在通电时发光。这是第一次记录到半导体材料的电致发光现象。
• 1920年代:俄国科学家Oleg Losev进一步研究了这种现象,并在1927年发表了有关LED原理的论文,但当时并未引起广泛关注。
• 实用LED的开发:
• 1962年:Nick Holonyak Jr.,当时在通用电气(GE)工作的工程师,发明了第一个实用的可见光LED(红光LED)。Holonyak被誉为“LED之父”。
• 1972年:M. George Craford,Holonyak的学生,发明了第一个黄色LED,并大大提高了红色和橙色LED的亮度。他在氮化镓磷(GaAsP)材料的基础上进行了改进,使LED的亮度提高了十倍。
• 1970年代和1980年代:不断发展的技术使得更多颜色的LED问世,包括绿色、黄色和橙色LED。
• 蓝光LED的突破:
• 1990年代:日立和Nichia公司的科学家,特别是Shuji Nakamura,发明了高亮度的蓝光LED。这是使用氮化镓(GaN)材料的重大突破。蓝光LED的发明使得全彩显示器和白光LED成为可能。
• 2014年:Shuji Nakamura、Isamu Akasaki和Hiroshi Amano因在蓝光LED方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖。
• 白光LED的开发:
• 白光LED通常通过将蓝光LED与荧光粉结合来实现。蓝光LED发出的蓝光激发荧光粉,荧光粉再发出黄色光,两者结合产生白光。
LED技术的不断进步不仅在可见光范围内产生了多种颜色的LED,还扩展到紫外线和红外线范围。如今,LED在显示器、照明、指示灯和通信等多个领域都有广泛应用。如果你对某个特定阶段或科学家的工作有更多兴趣,可以告诉我,我会为你提供更详细的信息。
2、为什么LED能发光
发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样,发光二极管由半导体芯片组成,这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。与其它二极管一样,发光二极管中电流可以轻易地从p极(阳极)流向n极(阴极),而相反方向则不能。两种不同的载流子:空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合,电子会跌落到较低的能阶,同时以光子的模式释放出能量(光子也即是我们常称呼的光)。
它所发射出的光的波长(颜色)是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于硅和锗是间接带隙材料,在常温下,这些材料内电子与空穴的复合是非辐射跃迁,此类跃迁没有释出光子,而是把能量转化为热能,所以硅和锗二极管不能发光(在极低温的特定温度下则会发光,必须在特殊角度下才可发现,而该发光的亮度不明显)。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的,因此能量会以光子形式释放,这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。
发展初期,采用砷化镓(GaAs)的发光二极管只能发射出红外线或红光。随着材料科学的进步,新研发成功的发光二极管能够发射出频率越来越高的光波。现今,已可制成各种颜色的发光二极管。
二极管通常建构于N型衬底,在其表面沉积一层P型半导体,用电极连结在一起。P型衬底比较不常见,但也有被使用。很多商业发光二极管,特别是GaN/InGaN,也会使用蓝宝石衬底。
大多数用来制成发光二极管的物质具有非常高的折射率。这意味着大部分光波会在物质与空气的接口会被反射回物质,因此,光波萃取对于发光二极管是很重要的论题,大量研究与发展都聚焦于这论题。
LED(发光二极管)和普通二极管的主要区别在于它们的材料和结构,导致它们在电能转化为光能的效率上有显著不同。以下是一些关键点解释为什么LED能发光,而普通二极管不能:
1.材料不同:LED使用的是III-V族半导体材料,如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)等。这些材料具有直接带隙(direct bandgap),允许电子直接跃迁并释放光子(光)。普通二极管通常使用硅或锗,这些材料具有间接带隙(indirect bandgap),电子的跃迁主要以释放热能的形式发生,而不是光。
2.结构不同:LED的结构设计是为了优化光的生成和发射。LED通常在p-n结处加入特定的掺杂剂和层结构,以促进光子的产生和释放。而普通二极管的设计是为了优化电流的整流功能,并不注重光的产生。
3.能量带隙:LED的材料具有较大的带隙能量,这意味着电子在跃迁过程中释放的能量足够高,可以以光的形式显现出来。普通二极管的材料带隙能量较小,电子跃迁时主要以热能形式释放。
4.发光机制:当LED的p-n结在正向偏置下,电子从n区移动到p区,与空穴复合,能量以光子的形式释放,产生光。而在普通二极管中,电子和空穴的复合主要以非辐射复合的形式进行,即能量以热的形式释放。
这些差异使得LED可以在工作时发光,而普通二极管则不能。
3、如何提高LED的发光效率?
提高LED(发光二极管)发光效率的方法涉及多个方面,包括材料选择、结构设计和制造工艺。以下是一些主要策略:
1. 优化材料选择
高效发光材料:使用高光效的半导体材料,如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化镓(GaP)。这些材料具有较大的带隙,可以有效地将电能转换为光能。
掺杂技术:通过掺杂特定的元素(如铝、镓、氮)来调整材料的光学性能,从而提高LED的发光效率。
2. 改进结构设计
优化p-n结设计:通过改进p-n结的结构,优化电子和空穴的复合效率,从而提高发光效率。
光学设计:设计高效的光学结构,如光学透镜和光学腔体,以减少光的损失并提高光的输出。
3. 提高封装技术
光学封装:使用高透光率的封装材料,如硅胶或环氧树脂,以减少光在封装过程中被吸收或散射。
反射层:在LED封装中加入反射层,以反射未能有效发出的光,提高光的整体输出。
4. 改进制造工艺
降低缺陷密度:通过优化制造工艺,减少晶体缺陷和材料杂质,从而提高LED的发光效率和稳定性。
提高量子效率:提高LED芯片的量子效率(QE),即电能转化为光能的比例,减少非辐射复合。
5. 散热管理
改进散热设计:有效的散热管理可以减少LED工作时的温度,防止由于过热而导致的光衰减。使用高导热材料和设计有效的散热结构,如散热片和冷却风扇。
6. 调节电流和驱动方式
适当电流:控制电流,以避免过高电流引起的效率降低。采用恒流驱动可以保持LED在最佳工作状态。
驱动电路优化:优化LED驱动电路的设计,提高电能的转换效率,减少能量损耗。
7. 量子点和荧光粉技术
量子点技术:在LED中引入量子点,可以改善颜色纯度和光效。
荧光粉涂层:对于白光LED,优化荧光粉的配方和涂布工艺,可以提高光效和颜色质量。
4、黄光LED
创新路上,永无止境,江风益从不敢停歇,从“跟”到“追”,再到“超”。2011年,他和团队拓展了研究方向——LED高端装备(MOCVD系统)的研制开发,并于2014年研制成功生产型MOCVD设备(37片机和61片机),其中设备的心脏——反应管实现了自主创新,用此设备生产的硅衬底蓝光LED,其电光转换效率与采用进口设备生产的蓝宝石衬底蓝光LED的国际先进水平持平;2016年,他和团队用此设备研发的黄光LED取得了历史性突破,其电光转换效率达到21.5%,远高于国外公开报道或可查询到的最高水平(9.63%),2019年他们将此光效提高到27.9%;2020年,他们所研制的微红光LED光效国际领先。这些发明创造,使我国LED技术在国际上处于“部分领跑”地位。
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