一、 LED 的結構及發光原理
50 年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識,第一個商用二極管產生于 1960 年。 LED 是英文 light emitting diode (發光二極管)的縮寫,它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料,置于一個有引線的架子上,然后四周用環氧樹脂密封,起到保護內部芯線的作用,所以 LED 的抗震性能好。
發光二極管的核心部分是由 p 型半導體和 n 型半導體組成的晶片,在 p 型半導體和 n 型半導體之間有一個過渡層,稱為 p-n 結。在某些半導體材料的 PN 結中,注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉換為光能。 PN 結加反向電壓,少數載流子難以注入,故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管,通稱 LED 。當它處于正向工作狀態時(即兩端加上正向電壓),電流從 LED 陽極流向陰極時,半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強弱與電流有關。
二、 LED 光源的特點
1. 電壓: LED 使用低壓電源,供電電壓在 6-24V 之間,根據產品不同而異,所以它是一個比使用高壓電源
更安全的電源,特別適用于公共場所。
2. 效能:消耗能量較同光效的白熾燈減少 80%
3. 適用性:很小,每個單元 LED 小片是 3-5mm 的正方形,所以可以制備成各種形狀的器件,并且適合于易變的環境
4. 穩定性: 10 萬小時,光衰為初始的 50%
5. 響應時間:其白熾燈的響應時間為毫秒級, LED 燈的響應時間為納秒級
6. 對環境污染:無有害金屬汞
7. 顏色:改變電流可以變色,發光二極管方便地通過化學修飾方法,調整材料的能帶結構和帶隙,實現紅黃
綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的 LED ,隨著電流的增加,可以依次變為橙色,黃色,最后為綠色
8. 價格: LED 的價格比較昂貴,較之 于白熾燈,幾只 LED 的價格就可以與一只白熾燈的價格相當,而通
常每組信號燈需由上 300 ~ 500 只二極管構成。
三、單色光 LED 的種類及其發展歷史
最早應用半導體 P-N 結發光原理制成的 LED 光源問世于 20 世紀 60 年代初。當時所用的材料是 GaAsP ,發紅光( λ p =650nm ),在驅動電流為 20 毫安時,光通量只有千分之幾個流明,相應的發光效率約 0.1 流明 / 瓦。70 年代中期,引入元素 In 和 N ,使 LED 產生綠光( λ p =555nm ),黃光( λ p =590nm )和橙光( λ p =610nm ),光效也提高到 1 流明 / 瓦。到了 80 年代初,出現了 GaAlAs 的 LED 光源,使得紅色 LED 的光效達到 10 流明 / 瓦。90 年代初,發紅光、黃光的 GaAlInP 和發綠、藍光的 GaInN 兩種新材料的開發成功,使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2000 年,前者做成的 LED 在紅、橙區( λ p =615nm )的光效達到 100 流明 / 瓦,而后者制成的 LED 在綠色區域( λ p =530nm )的光效可以達到 50 流明 / 瓦。
四、單色光 LED 的應用
最初 LED 用作儀器儀表的指示光源,后來各種光色的 LED 在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用,產生了很好的經濟效益和社會效益。以 12 英寸的紅色交通信號燈為例,在美國本來是采用長壽命,低光效的 140 瓦白熾燈作為光源,它產生 2000 流明的白光。經紅色濾光片后,光損失 90% ,只剩下 200 流明的紅光。而在新設計的燈中, Lumileds 公司采用了 18 個紅色 LED 光源,包括電路損失在內,共耗電 14 瓦,即可產生同樣的光效。
汽車信號燈也是 LED 光源應用的重要領域。 1987 年,我國開始在汽車上安裝高位剎車燈,由于 LED 響應速度快(納秒級),可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況,減少汽車追尾事故的發生。
另外, LED 燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏,匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。
五、白光 LED 的開發
對于一般照明而言,人們更需要白色的光源。 1998 年發白光的 LED 開發成功。這種 LED 是將 GaN 芯片和釔鋁石榴石( YAG )封裝在一起做成。 GaN 芯片發藍光( λ p =465nm , Wd=30nm ),高溫燒結制成的含 Ce3+ 的 YAG 熒光粉受此藍光激發后發出黃色光發射,峰值 550nm 。藍光 LED 基片安裝在碗形反射腔中,覆蓋以混有 YAG 的樹脂薄層,約 200-500nm 。 LED 基片發出的藍光部分被熒光粉吸收,另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合,可以得到得白光。現在,對于 InGaN/YAG 白色 LED ,通過改變 YAG 熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度,可以獲得色溫 3500-10000K 的各色白光
其實LED燈就是我們平常所說的節能燈。
而且不同的工藝,不同的外表材質也會造成價格的差異
1.可見光的光譜和LED白光的關系。 眾所周之,可見光光譜的波長范圍為380nm~760nm,是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如LED發的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的,因為白光不是單色光,而是由多種單色光合成的復合光,正如太陽光是由七種單色光合成的白色光,而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。由此可見,要使LED發出白光,它的光譜特性應包括整個可見的光譜范圍。但要制造這種性能的LED,在目前的工藝條件下是不可能的。根據人們對可見光的研究,人眼睛所能見的白光,至少需兩種光的混合,即二波長發光(藍色光+黃色光)或三波長發光(藍色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光,都需要藍色光,所以攝取藍色光已成為制造白光的關鍵技術,即當前各大LED制造公司追逐的“藍光技術”。目前國際上掌握“藍光技術”的廠商僅有少數幾家,所以白光LED的推廣應用,尤其是高亮度白光LED在我國的推廣還有一個過程。
2.白光LED的工藝結構和白色光源。 對于一般照明,在工藝結構上,白光LED通常采用兩種方法形成,第一種是利用“藍光技術”與熒光粉配合形成白光;第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產生白光器件。第一種方法產生白光的系統如圖1所示,圖中LED GaM芯片發藍光(λp=465nm),它和YAG(釔鋁石榴石)熒光粉封裝在一起,當熒光粉受藍光激發后發出黃色光,結果,藍光和黃光混合形成白光(構成LED的結構如圖2所示)。第二種方法采用不同色光的芯片封裝在一起,通過各色光混合而產生白光。
3.白光LED照明新光源的應用前景。 為了說明白光LED的特點,先看看目前所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈,其光效為12~24流明/瓦;熒光燈和HID燈的光效為50~120流明/瓦。對白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已達到15流明/瓦,這一指標與一般家用白熾燈相近,而在2000年時,白光LED的光效已達25流明/瓦,這一指標與鹵鎢燈相近。有公司預測,到2005年,LED的光效可達50流明/瓦,到2015年時,LED的光效可望達到150~200流明/瓦。那時的白光LED的工作電流便可達安培級。由此可見開發白光LED作家用照明光源,將成可能的現實。
普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜,但光效低(燈的熱效應白白耗電),壽命短,維護工作量大,但若用白光LED作照明,不僅光效高,而且壽命長(連續工作時間10000小時以上),幾乎無需維護。目前,德國Hella公司利用白光LED開發了飛機閱讀燈;澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明;我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈。可以預見不久的將來,白光LED定會進入家庭取代現有的照明燈。
LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時間短、對環境無污染、多色發光等的優點,雖然價格較現有照明器材昂貴,仍被認為是它將不可避免地替代現有照明器件。
LED燈屬于半導體元件發光效率高節能但是溫度特性較差高溫時容易損壞對驅動電源要求高。同樣都是軌道燈要根據自己的情況及要求來選擇如果被照物體主要體現豪華富麗那就首選金鹵燈,一般的要求不是太高的就選LDE燈。