一、LED的结构及发光原理
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，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p-n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的光线，光的强弱与电流有关。 1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
6. 对环境污染：无有害金属汞
7. 颜：改变电流可以变，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多发光。如小电流时为红的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙，黄，最后为绿
8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价
格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
三、单光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于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20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。
led发光模块
70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红LED的光效达到10流明/瓦。
90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。
四、单光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光的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英寸的红交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
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，减少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都得到了应用。
五、白光LED的开发
对于一般照明而言，人们更需要白的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。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光发射，峰值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，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得温3500-10000K的各白光。 （编辑 李艳欣）
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LED（Light-Emitting-Diode）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，其特点如下：
（1） 效率高
按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高（一般10～30lm/W，目前已知光效最高的橙红LED光效可以达到55lm/W），但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到80-90%，而光效差不多的白炽灯其可见光效率仅为10-20%。 （2） 光线质量高
由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，LED属于典型的绿照明光源。 （3） 光纯
与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。 （4） 能耗小
单体LED的功率一般在0.05～1W，通过集方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。尤其是需要彩光的时候，采用白光经过滤的方式大费周折并且浪费能源，而LED固有的彩却是得天独厚。 （5） 寿命长
光通量衰减到70%的标称寿命10万小时，实际上几乎无限。 （6） 可靠耐用
没有钨丝、玻壳等等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。 （7） 应用灵活
体积小，可平面封装易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。 （8） 安全
单体工作电压大致在1.5~5V之间，工作电流在20~70mA之间。 （9） 响应时间短
适合于频繁开关以及高频运作的场合。 （10） 绿环保
废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞成分。 （11） 控制灵活
通过调整电流可以调光，不同光的组合可以调，加上时序控制电路可以达到多样的动态变化效果。 | |
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第一讲LED主要参数与特性
LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。
1、LED电学特性
1.1 I-V特性
表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如上图：
（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。
（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系
IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS
为反向饱和电流。V＞0 时，V＞VF 的正向工作区IF 随VF 指数上升，
IF = IS e qVF/KT
（3）反向死区 ：V＜0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。
（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反
向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。
1.2 C-V特性
鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。
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