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概述
发光二极管（LED）是一种能通过三价及五价元素所构成的复合光源发光的半导体电子元件。此电子元件早在1962年就已出现，早期仅能发出低强度的红光，HP买下专利后，作为指示灯使用，后来又开发出其他单色光版本。现今所能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，发光度也已提升到很高的程度。随着白色发光二极管的出现，用途也由最初的指示灯、显示板等指示用途，逐渐发展到近年来的照明用途。
三个不同颜色的 LED
发光二极管只能朝一个方向(通电)导通，称为正向偏压，当电流流过时，电子与空穴复合，发出单色光，称为电致发光。光的波长与颜色与所用半导体材料种类及故意添加的元素杂质有关。它具有传统光源无法比拟的优点，如效率高、寿命长、不易坏、反应速度快、可靠性高等优点。白光LED近年来发光效率有所提升；由于大量资金投入，每千流明的成本也有所下降，但成本仍远高于其他传统照明。尽管如此，近年来仍越来越多地用于照明用途。
2014年，天野之弥、赤崎勇和中村修二因“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能又明亮的白光源”共同获得诺贝尔物理学奖。
历史与发展
1961年美国德州仪器公司的Biard和Gary首次发现砷化镓等半导体合金的红外辐射效应，1962年美国通用电气公司的Nick 研制出第一个实用化的可见光发光二极管。
1993年，就职于日亚化学工业的中村修二成功掺杂镁元素，基于宽禁带半导体材料氮化镓和氮化铟镓（InGaN）制造出可商用的蓝色发光二极管。2014年，中村修二、天野浩和赤崎勇三人因此项工作共同获得诺贝尔物理学奖。有批评者认为，诺贝尔奖跳过红绿LED发明者，不公平。但诺贝尔物理学奖委员会主席佩尔（瑞典教授）在接受《读卖新闻》采访时反驳了这一观点，坚称“在仔细研究了这项发明的贡献后，我有充分信心决定这三人将获奖”。
带铝制散热器的 LED 灯泡
继蓝色发光二极管之后，白色发光二极管也相继问世，之后LED便朝着亮度提升的方向发展。当时LED普遍工作功率不足30至60mW（毫瓦）。1999年，发光二极管的输入功率达到1W（瓦）并开始商品化。这些发光二极管都采用超大型半导体芯片来处理大功率输入的问题，并将半导体芯片固定在金属片上，以帮助散热。
2002年，5W的发光二极管开始出现在市场上，其效率约为每瓦18-22lm（流明）。
2003 年 9 月，Cree 公司展示了其新型蓝光 LED，其效率为 35%，功率为 20mW。他们还生产了一款商用白光 LED，其效率为 65 lm/W（流明/瓦），这是当时市场上最亮的白光 LED。2005 年，他们展示了一款原型白光 LED，其效率创下了 70 lm/瓦的记录，功率为 350mW。
2009年2月，日本LED制造商日亚化学工业根据实验室数据，发布了效率高达249 lm/W的LED。
2010年2月，在受控实验室环境中制造了一款白色LED，并在标准测试条件下以350 mA电流进行测试，其发光效率为208 lm/W。但该公司当时并未披露偏置电压，因此其功率未知。
2012年4月，美国LED大厂Cree推出新型LED，发光效率达254lm/W，创下电源效率的新纪录。
OLED的工作效率比起一般的发光二极管要低很多，最高的也只有10%左右，不过OLED的生产成本却低很多，例如只需简单的印刷方式，就能在屏幕上放置非常大的OLED阵列，做成彩色的显示屏。
基本原理
发光二极管是一种特殊的二极管。与普通二极管一样，发光二极管也是由半导体芯片制成，这些半导体材料经过预先植入或掺杂，产生p和n结构。与其他二极管一样，发光二极管中的电流可以很容易地从p极（阳极）流向n极（阴极），但不能反方向流动。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压下从电极流向p和n结构。当空穴和电子相遇复合时，电子会落到较低的能级，并以光子的形式释放能量（光子就是我们常说的光）。
综合蓝色、黄绿色（草绿色）、高亮度红色LED的光谱特性，三基色在FWHM光谱中的带宽约为24nm-27nm。
其发出的光的波长（颜色）是由组成p、n结构的半导体材料的带隙能量决定的。由于硅、锗属于间接带隙材料，在室温下，这些材料中电子和空穴的复合属于非辐射跃迁。这种跃迁不会释放光子，而是将能量转化为热能，所以硅、锗二极管不能发光（它们在极低的温度下会发光，只能在特殊的角度下才能探测到，光的亮度并不明显）。发光二极管所用的材料都是直接带隙类型，所以能量是以光子的形式释放的。这些带隙能量对应的是近红外、可见光或近紫外波段的光能。
在发展初期，使用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发出红外光或红光。随着材料科学的进步，新开发的发光二极管可以发出频率越来越高的光波。如今，发光二极管可以制成多种颜色。
二极管通常构建在 N 型衬底上，表面沉积一层 P 型半导体，并通过电极连接在一起。P 型衬底不太常见，但也被使用。许多商用发光二极管，尤其是 GaN/InGaN，也使用蓝宝石衬底。
用于制造 LED 的大多数材料都具有非常高的折射率。这意味着大多数光波将在材料与空气的界面处反射回材料中。因此，光波提取对于 LED 来说是一个非常重要的课题，许多研究和开发都集中在这一课题上。
以下为发光二极管的无机半导体材料及发光颜色：
优缺点 优点 缺点 应用 视觉信息显示
发光二极管所需的驱动电压和功率较低，这使得它们易于被工作电压较低的微处理器控制以及用于电池供电的设备中。因此，它们常常被用来作为各种电子产品和设备的状态指示器。它们被用在消费电子产品、便携式嵌入式电子设备、家用电器、玩具、各种仪器仪表等中作为工作状态指示器。
LED 交通信号灯 LED 照明
因为LED灯被称为固态照明。传统照明灯具如荧光灯、白炽灯、卤素灯等，其玻璃管内充满气体，易碎，因此不如全固态LED耐用。现有单颗大功率LED一般为1W、3W、5W等。由于LED在光照强度增加时效率会下降，因此有些LED灯会采用多颗白光LED组成一簇，组成光源，以提高效率；同样道理，在照明方面，只用在光照强度要求不高的场所，以保持其较好的效率（省电）特性。
U2手电筒采用LED窄带光学传感器
可见光发光二极管和光电探测器都使用可见光波段具有能隙的 PN 结，因此它们具有许多相同的物理特性。发光二极管在光检测中的应用是一种众所周知的技术，但直到最近才提出了所谓的双向发光二极管阵列，并将其应用于触摸屏上的触摸传感器。2003 年，Dietz 和 Leigh 发表了一篇论文，描述了如何使用发光二极管作为廉价的检测元件。
在这个应用中，阵列中的每个 LED 都会快速打开和关闭。LED 打开后，发射的光线照射到操作者的手指或图案上，然后其反射光被处于关闭状态的 LED 检测到，并在反向偏置下工作的 LED 上感应出电压。然后通过微处理器读出感应电压的大小。Jeff Han 的网站提供了一个视频，展示了 LED 阵列检测器的运行。
参考
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发表于 2024-9-18 07:37:56
