LED原理及应用概述
纵观人类照明史，先后经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明，LED(发光二极管)作为加入照明家族的新成员，目前正处于蓬勃发展阶段。
从1962年第一支红色二极管问世，黄色、绿色、橙色、蓝光LED被陆续开发出来。
1998年，基于蓝光的LED芯片的成功开发，孕育了新一代的照明革命。
随着国家半导体照明工程的启动，半导体照明技术将进一步改变我们的世界。
由于白光LED光效的迅速提高，加上其体积小、耐震动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、光色接近白炽灯光色、低压驱动、无汞和铅的污染，将发展成为可用来代替白炽灯和荧光灯的主要绿色光源。
1、 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，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出
能量。
而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
因此，只要有理想的半导体材料就可以制成各种光色的LED。
LED结构图如下图所示。
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。
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色的光线，光的强弱与电流有关。
随着国家半导体照明工程的启动，半导体照明技术将进一步改变我们的世界。
由于白光LED光效的迅速提高，加上其体积小、耐震动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、光色接近白炽灯光色、低压驱动、无汞和铅的污染，将发展成为可用来代替白炽灯和荧光灯的主要绿色光源。
二、单色光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。
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，使得红色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在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。
三、单色光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的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英寸的红色交通信号灯为例，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。
经红色滤光片
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个红色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。
四、白光LED的开发
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源，但半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成白光。
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。
目前产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光，即单芯片型；二是采用将几种发不同色光的芯片封在一起，构成发自光的LED，即多芯片型。
单芯片型结构又可分为三种：(1)将蓝色LEDhGaN芯片与钇铝石榴石(YAC)荧光粉组合成二基色白光LED，或由InGaN(蓝光峰值430 nm或470 nm)与红色(650 nm)和绿色(540 nm)荧光粉组成三基色白光LED；(2)利用蓝色ZnSe为基体制成芯片与衬基发出的黄光复合成白光；
(3)用InGaN LED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。
而对于多芯片型，直接将红、绿、蓝三种颜色的LED芯片组成一组，实现白光。
五、业界概况
在LED业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度LED，以及蓝紫光半导体激光（Laser Diode；LD），是业界握有蓝光LED专利权的重量级业者。
在日亚化学取得兰色LED生产及电极构造等众多基本专利后，坚持不对外提供授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光LED价格高昂。
但其他已具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系LED业者认为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光LED竞争中，逐步被欧美及其他国家的LED业者抢得先机，届时将对整体日本LED产业造成严重伤害。
因此许多业者便千方百计进行蓝光LED的研发生产。
目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商Cree，全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、 Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产，对促进白光LED产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。
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。
六、LED光源的特点
１、LED光源发光效率高
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、LED光源耗电量少
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、LED光源使用寿命长
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、LED光源安全可靠性强
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、LED光源有利于环保
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。
6、颜色多样
改变电流可以变色，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，实现红黄绿兰橙多色发光。
如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 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。
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。
LED原理及应用概述
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