LED的发光原理

LED的发光原理

实际上LED，就是发光二极管（light emitting diode）。基本结构为一块电致发光的半导体模块，封装在环氧树脂中，通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。

其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。

LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。

LED是怎样发光的

如上图，LED和我们常用的白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而是采用了电场发光。LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片。在P型半导体和N型半导体之间得过渡层，便是我们常说的P-N结。

PN结

当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合时，由于交界面处存在的载流子浓度差，于是电子和空穴都会从高浓度区域向低浓度区域扩散。我们知道，电子与空穴都是带电的，其扩散的结果就导致了Ｐ区和Ｎ区原来的电中性被破坏。这样，Ｐ区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子，Ｎ区一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子就是空间电荷。在空间电荷集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一很薄的空间电荷区，就是P-N结 。

在P区一侧为负电荷，N区为正电荷，于是空间电荷区，便出现了由N到P的电场。这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，这便是内电场。由于内电场的存在，使得P-N结处于动态平衡状态。

当我们给P-N结一个正向电压，便改变了P-N结的动态平衡。注入的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合时，便将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。如果给PN结加反向电压，少数载流子（少子）难以注入，故不发光。

利用注入式电发光原理制作的二极管就是我们常说得发光二极管，即LED。在LED得两端加上正向电压，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。调节电流，便可以调节光的强度。

可以通过改变电流可以变色，这样可以通过调整材料的能带结构和带隙，便可以多色发光。

LED光源的基本特征主要包括以下五点：

１、发光效率高

LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

２、耗电量少

LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。

３、使用寿命长

采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

４、安全可靠性强

发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

５、有利于环保

LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4～9年中每年几倍的节能净收益期。