1.1 LED的基本概念

发光二极管简称LED。不同材料制成的发光二极管，发出不同颜色的光。由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）的化合物制成的发光二极管中，有发红光的磷砷化镓（GaAsP）二极管、发绿光的磷化镓（GaP）二极管、发黄光的碳化硅（SiC）二极管，当其电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而利用该特性制成LED。LED在电路及仪器中常常作为指示灯，或者组成矩阵显示文字或数字。

LED是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。LED与普通二极管一样都是由一个PN结组成的，同时具有单向导电性。当给LED加上正向偏置电压后，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，电子和空穴复合时释放出的能量大小不同。释放出的能量越多，发出的光的波长越短。

1.1.1 LED的基本结构与发光原理

1．LED的基本工作原理

LED是一种直接注入电流的发光器件，是半导体晶体内部受激电子从高能级回到低能级时，发射出光子的结果，这就是通常所说的自发发射跃迁。当LED的PN结加上正向偏置电压时，注入的少数载流子和多数载流子（电子和空穴）复合而发光。值得注意的是，大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列列的光波，各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播，这个过程称为自发发射。

2．LED的基本结构

传统LED与大功率LED的基本结构，如图1-1所示。传统LED芯片被固定在导电、导热的带两根引线的金属支架上，有反射杯（或反光碗）的引线为负级，另外一根引线为正级。芯片外围封以环氧树脂（帽），一方面可以保护芯片，另一方面起（透镜）聚光作用。LED的两根引线不一样长时，其中较长的一根为正极。如果LED的两根引线一样长，则通常在管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正级。LED灯主要由支架、银胶、晶片、金线和环氧树脂等组成。

LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下可产生比φ5mmLED大10～20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术。目前，能承受数瓦功率的LED封装已出现，其中5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，其白色LED光输出达187lm，光效为44.3lm/W。并已开发出可承受10W功率的LED大面积管，尺寸为2.5mm×2.5mm，可在5A电流下工作，其光输出达200lm，作为固体照明光源有很大的发展空间。

功率型LED的热特性直接影响LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。

LED芯片是LED器件的核心，其结构如图1-2所示。LED芯片为分层结构，芯片两端是金属电极；底部为衬底材料；中间是由P型层和N型层构成的PN结；发光层被夹在P型层和N型层之间，是发光的核心区域。P型层、N型层和发光层利用特殊的外延生长工艺在衬底材料上制得。在芯片工作时，P型层和N型层分别提供发光所需要的空穴和电子，它们被注入到发光层复合而产生光。LED的封装示意图如图1-3所示。实际中的芯片结构比其要复杂得多。LED芯片制作技术是21世纪的高新技术之一。

LED的图形符号如图1-4所示，其文字符号用VD表示。低压直流供电（如电池）的简单工作电路，如图1-5所示。LED工作在正向电压偏置时，其发光亮度随正向电流IF的增大而增强。为限制其工作电流，电路中通常需要串联一个限流电阻（亦称镇流电阻）R。普通小功率LED工作时的正向电压降VF为1.5～3V，工作电流IF为5～20mA。而白光LED的正向电压降范围通常为3.0～3.5V，大功率白光LED的工作电流达350mA乃至1A以上，如图1-6所示。

3．LED的发光原理

LED的核心是PN结。因此它具有一般PN结的单向导电特性，即正向导通、反向截止及击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向偏置电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1-7所示。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合而发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（导带、价带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以仅在靠近PN结的数微米以内产生光。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料的禁带宽度Eg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）（1-2）

式中，Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光，则其波长为380（紫光）～780nm（红光）。半导体材料的Eg应为3.26～1.63eV。

1.1.2 LED的特点

LED作为一种出现时间最晚的照明技术，自20世纪60年代诞生以来，得到了长足的发展和应用。而相对于白炽灯、荧光灯等老一代发光器件，LED的特点主要体现在以下几方面。

①电压。LED是低压器件，驱动单颗LED的电压仅需2.5～3V，驱动电流为几十到几百毫安，不会造成触电事故，因此比较安全，也适用于低电压电源的场所。

②耗能。消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

③适用性。LED体积小、重量轻和厚度薄的特点大大拓展了其应用空间，可以用来生产各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

④稳定性。工作10万小时后，光衰为初始的50%。

⑤响应时间。白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

⑥环保。LED中无有害金属水银（汞）。

⑦颜色。不同的芯片材料可以获得不同的单色LED，而相同的芯片材料在不同的外延片部位产生的LED的光色也各不相同。LED方便地通过化学修饰方法调整材料的能带结构和禁带宽度，可实现红、黄、绿、蓝、橙等多色发光。红光工作电压较小，颜色不同的红、橙、黄、绿、蓝的LED的工作电压依次升高。

⑧价格。LED的价格现在越来越平民化，因LED省电的特性，推测不久的将来，人们都会把白炽灯换成LED灯。现在，我国部分城市的公路、学校、厂区等场所已换装LED路灯、庭院灯等。

⑨抗震性能好。LED是一种电致发光光源，其结构特性决定了震动对其影响较小。

1．单色光LED的种类及其发展历史

LED出现于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20mA时，光通量只有千分之几流明，相应的发光效率约0.1lm/W。

70年代中期，引入元素铟（In）和氮（N），使LED可产生绿光（λp=555nm）、黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1lm/W。

到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。

90年代初，发红光、黄光的InGaAlP和发绿光、蓝光的InGaN研发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红色、橙色区（λp=615nm）的光效达到100lm/W，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50lm/W。现在的LED已能发出红色、黄色、蓝色、绿色、橙色、琥珀色、蓝绿双色、红绿双色、黄绿色、纯绿色、翠绿色、白色等各种光束。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年，白光LED研发成功。白光LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成的。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，峰值为550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，厚约200～500nm。LED基片发出的蓝光一部分被荧光粉吸收，另一部分与荧光粉发出的黄光混合，得到白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温为3500～10000K的各色白光。

半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不能发出连续光谱的白光，必须以其他方式合成白光。目前产生白光的方式有两种：一种是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光，即单芯片型；另一种是将几种发不同色光的芯片封装在一起，构成发白光的LED，即多芯片型。白光LED类型及其原理见表1-1。

表1-1 白光LED类型及其原理

单芯片型结构又可分为三种。

（1）将蓝色LEDGaInN芯片与钇铝石榴石（YAG）荧光粉组合成二基色白光LED，或由InGaN（蓝光峰值430nm或470nm）与红色（650nm）、绿色（540nm）荧光粉组成三基色白光LED。

（2）利用蓝色ZnSe为基体制成芯片，与衬基发出的黄光复合成白光。

（3）用InGaNLED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。

2．单色光LED的应用

最初LED用做仪器仪表的指示光源，后来各种色光的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸（in）的红色交通信号灯为例，在美国交通信号灯本来是采用长寿命、低光效的140W白炽灯作为光源的，它产生2000lm的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200lm的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14W，可产生同样的光效。

汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，在一定程度上减少了汽车追尾事故的发生。另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域也得到了应用。

白光LED的出现，是LED从标志功能向照明功能跨出的实质性的一步。白光LED最接近日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以，从技术角度看，白光LED无疑是LED最尖端的技术。

白光LED的应用市场非常广泛，也是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。目前，白光LED已开始进入一些应用领域，应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。但是，由于其价格十分昂贵，故而难以普及。一组亮度相当于40W白炽灯的白色LED，其售价为220美元。白色LED普及的前提是价格下降，而价格下降必须在白色LED形成一定的市场规模后才有可能，毫无疑问，两者的融合最终有赖于技术进步。