浅谈于长夜中开辟道路的LED

来源：罗姆半导体社区

一提起LED是什么，很多人都会下意识的回答道发光二极管。但是谈到具体的作用和构成时，很多人就一知半解了。许多热知识也是一样，表层的东西大众接受度都很高，越往内核走，越高深的时候，相对来减少的就是懂行资深的专业人员了。因此有关于LED的详细分析，请看下面的内容。

发光二极管是一种能发光的半导体电子元件，透过三价与五价元素所组成的复合光源。此种电子元件早在1962年出现，早期只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用。及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。用途由初时的指示灯及显示板等；随着白光发光二极管的出现，近年逐渐发展至被普遍用作照明用途。

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，电子与电洞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。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。白光LED的发光效率近年有所进步；每千流明成本，也因为大量的资金投入使价格下降，但成本仍远高于其他的传统照明。虽然如此，近年仍然越来越多被用在照明用途上。

不过到了2014年，白光LED的研究终于有了重大突破。日本3位科学家天野浩与赤崎勇、中村修二凭借着「发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源」，共同获得了诺贝尔物理学奖。终于是在这一年人们集齐了三原色的发光二极管，由此使得白光LED的发光效率有了质的飞跃。那很多人可能会问了，怎么发明了一个新的颜色就能拿诺奖了啊，发光二极管有那么神？不用心急，接着了解就可。

发展历史

1961年，美国公司德州仪器的Robert Biard与Gary Pittman首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用。1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克开发出第一种可实际应用的可见光发光二极体。

1993年，日本日亚化学工业（Nichia Corporation）工作的中村修二成功把镁掺入，造出了基于宽能隙半导体材料氮化镓和氮化铟镓（InGaN）、具有商业应用价值的蓝光发光二极管。中村修二于2014年因此工作与天野浩及赤崎勇得到诺贝尔物理学奖。部分评论认为，诺贝尔奖跳过了红色、绿色LED的发明者并不公平。但诺贝尔委员会（物理学奖）委员长Per Delsing（瑞典Chalmers University of Technology教授）在《读卖新闻》专访中提出反驳，他坚称「仔细研究发明的贡献度之后，有十足信心决定这3个人获奖」。

有了蓝光发光二极管后，白光发光二极管也随即面世，之后LED便朝增加光度的方向发展，当时一般的LED工作功率都小于30至60mW（毫瓦）。1999年输入功率达1W（瓦）的发光二极管商品化。这些发光二极管都以特大的半导体晶片来处理高电能输入的问题，而半导体晶片都是被固定在金属片上，以助散热。

2002年，在市场上开始有5W的发光二极管的出现，而其效率大约是每瓦18-22 lm（流明）。

2003年9月，Cree, Inc.公司展示了其新款的蓝光发光二极管，在20mW下效率达35%。他们亦制造了一款达65 lm/W（流明每瓦）的白光发光二极管商品，这是当时市场上最亮的白光发光二极管。2005年他们展示了一款白光发光二极管原型，在350mW下，创下了每瓦70 lm的记录性效率。

2009年2月，日本发光二极管厂商日亚化学工业发表了效率高达249 lm/W的发光二极管，此乃实验室数据。

2010年2月，Philips Lumileds造一白色LED在受控的实验室环境内，以标准测试条件及以350mA电流推动下得出208lm/W，但由于该公司无透露当时的偏压电压，所以未能得知其功率。

2012年4月，美国发光二极管大厂科锐（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发光二极管低得多，最高的都只是在10%左右。但OLED的生产成本低得多，例如可以用简单的印制方法将特大的OLED阵列安放在萤幕上，用以制造彩色显示幕。

优点

能量转换效率高（电能转换成光能的效率） - 也即较省电。

反应时间短- 可以达到很高的闪烁频率。

使用寿命长- 且不因连续闪烁而影响其寿命。

在安全的操作环境下可达到10万小时的寿命，即便是在50度以上的高温，使用寿命还有约4万小时。（萤光灯T8为8000小时、T5为20000小时、白炽灯为1,000 ~ 2,000小时）。

耐震荡等机械冲击- 由于是固态元件，没有灯丝、玻璃罩等，相对萤光灯、白炽灯等能承受更大震荡。

体积小- 其本身体积可以造得非常细小（小于2mm）。

便于聚焦- 因发光体积细小，而易于以透镜等方式达致所需集散程度，借改变其封装外形，其发光角度由大角度散射至细角度聚焦都可以达成。

单色性强- 由于是单一能级光出的光子，波长比较单一（相对大部份人工光源而言），能在不加滤光器下提供多种单纯的颜色。

缺点

效率受高温影响而急剧下降，浪费电力之余也产生更多热，令温度进一步上升，形成恶性循环。除浪费电力也缩短寿命，因此需要良好散热。

由于LED的驱动电压较低，一般家用电压为100V~240V，需要将LED及变压器包装为灯泡或灯管才能应用于家中，而在降低成本的考量下，许多市售产品搭配品质较差的变压器，而加快损坏的可能。

发光二极管光度并非与电流成线性关系，光度调节略为复杂。

成本较高，售价较高。

因为发光二极管为光源面积小、分布较集中，作照明用途时会刺眼，须运用光学设计分散光源。

每枚发光二极管因生产技术问题都会在特性（亮度、颜色、偏压…等）上有一定差异，即使是同一批次的发光二极管差异也不少。

基本原理

发光二极体是一种特殊的二极体。和普通的二极体一样，发光二极体由半导体晶片组成，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。与其它二极体一样，发光二极体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：电洞和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当电洞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。由于矽和锗是间接带隙材料，在常温下，这些材料内电子与电洞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，所以矽和锗二极体不能发光（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）。发光二极体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）的发光二极体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体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体。

二极体通常建构于N型基板，在其表面沉积一层P型半导体，用电极连结在一起。P型基板比较不常见，但也有被使用。很多商业发光二极体，特别是GaN/InGaN，也会使用蓝宝石基板。

大多数用来制成发光二极体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介面会被反射回物质，因此，光波萃取对于发光二极体是很重要的论题，大量研究与发展都聚焦于这论题。

白光LED发光的原理

发光二极管本身是单色光源，而自然界的白光（阳光）的光谱则是包含各种颜色，所以LED不可能完全达到如自然光的效果。白光发光二极管是通过发出三源色的单色光（蓝、绿、红）或以萤光剂把发光二极管发出的单色光转化，使整体光谱含为含有三源色的光谱，刺激人眼感光细胞，使人有看见白光的感觉。

结合蓝光发光二极管、红光发光二极管和绿光发光二极管便可做出白光发光二极管，这样产生的白光发光二极管有较广的色域，而且效率较其他方法高，不过成本相当高。近年生产技术的改进下，越来越多产品采用这方法。

现在普及的白光发光二极管都采用单一发光单元发出波长较短的光，如蓝或紫外光，再用磷光剂把部份或全部光转化成一频谱含有绿、红光等波长较长的光。这种光波波长转化作用称为萤光，原理是短波长的光子（蓝、紫、紫外光）被萤光物质（如磷光剂）中的电子吸收后，电子被激发（跳）至较高能量、不稳定的激发状态，之后电子在返回原位时，一部份能量散失成热能，一部份以光子形式放出，由于放出的光子能量比之前的小，所以波长较长。由于转化过程中有部份能量化成热能，造成能量损耗，因此这类白光发光二极管的效率较低。

发光单元有采用蓝光发光二极管的，也有采用紫外光发光二极管的。日亚化学工业开发并从1996年开始生产的白光发光二极管采用蓝光发光二极管作发光单元，波长450 nm至470 nm，磷光剂通常是掺杂了铈的钇 - 铝 - 镓（Ce 3+ :YAG ，实际上单晶的掺铈（Ce）的YAG被视为闪烁器多于磷光体。）。发光二极管发出的部份蓝光由萤光剂转换成黄光为主的较宽光谱（光谱中心约为580nm），由于黄光能刺激人眼中的红光和绿光受体，加上原有剩余的蓝光刺激人眼中的蓝光受体，看起来就像白色光，而其所呈现的色泽常被称作“月光的白色”。若要调校淡黄色光的颜色，可以把掺杂在Ce 3+ :YAG中的铈（Ce）换作其他稀释金属，例如鋱或釓，甚至可以以取代YAG中的部份或全部铝的模式做到。而基于其光谱的特性，红色和绿色的物体在这种发光二极管照射下看起来会不及宽频谱光源照射时那么鲜明。

另外由于生产工艺的波动，这种发光二极管的成品的色温并不统一，从暖的黄色到冷的蓝色都有，所以在生产过程中会以其出来的特性作出区分。而这种发光二极管的结构是把蓝光发光二极管封进混入了磷光剂的环氧树脂中而造成，但也有较复杂的方法，由Philips Lumileds取得专利的方法便是把磷光剂涂在发光二极管上，值由控制磷光剂的厚度增加效率。

另一种白光发光二极管的发光原理跟萤光灯是一样的。发光单元是紫外光发光二极管，外面包着两种磷光剂混合物，一种是发红光和蓝光的铕，另一种磷光剂是发绿光的铜和铝掺杂了硫化锌。内里的紫外光发光二极管发出的紫外光被外层的磷光剂转换成红、蓝、绿三色光，混合后就成了白光。但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂劣化变质，所以生产难度较高，而寿命亦较短。与第一种方法比较，因为斯托克司频移（Stokes Shift）前者较大，光波在转化过程中有较多被化成热能，因此效率较低，但好处是光谱的特性较佳，产生的光比较好看。而由于紫外光的发光二极管功率较高，所以其效率虽比较第一种方法低，但出来的亮度却相若。

最新一种制造白光发光二极管的方法没再用上磷光体。新的做法是在硒化锌基板上生长硒化锌的磊晶层。通电时其活跃地带会发出蓝光而基板会发黄光，混合起来便是白色光。

审核编辑 黄昊宇