LED灯发光原理详解：从历史到应用的全面解析
LED灯发光原理详解：从历史到应用的全面解析
LED（发光二极管）作为现代生活中不可或缺的电子元件，广泛应用于各种照明和显示设备中。本文将从LED的历史发展、基本组成、工作原理以及不同类型的LED特性等方面，为您全面解析这一重要技术的核心知识。
LED的历史与发展
LED是发光二极体（Light Emitting Diode, LED）的简称，也被称作发光二极管。这种半导体组件自发展以来，一般作为指示灯、显示板使用，但随着技术的进步，LED已经能够作为光源使用。它具有高效率地直接将电能转化为光能的能力，使用寿命长达数万小时至10万小时，同时还具备不易碎、省电、环保无汞、体积小、可在低温环境下工作、光源方向性强、光污染少以及色域丰富等优点。
LED技术的发展历程可以追溯到1955年，当时美国无线电公司（Radio Corporation of America）的Rubin Braunstein发现了砷化镓（GaAs）及其他半导体合金的红外线放射作用。1962年，美国通用电气公司（GE）的Nick Holonyak Jr.开发出了可见光LED。然而，LED技术的真正突破发生在1990年代，当时白光LED的出现使得LED的应用范围迅速扩大。
LED的组成
要理解LED的发光原理，首先需要了解其基本组成。常见的LED灯主要由晶片、金线和银胶组成。通过在LED中掺入荧光粉层，可以改变LED发出的光的颜色。
蓝色LED的发明是LED技术发展中的一个重要里程碑。蓝色发光二极管（蓝光LED）的发明被誉为“爱迪生之后的第二次照明革命”。这一发明使得人类能够用LED发出三原色光，从而制造出足够亮的白光。白光LED灯的发明大幅提高了人类的照明效率。
2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩以及美国加利福尼亚大学教授中村修二因“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源”共同获得了诺贝尔物理学奖。
工作原理
LED的工作原理基于二极管中空穴和电子的复合过程。在电压作用下，空穴和电子从电极流向PN结。当空穴和电子相遇并发生复合时，电子会从较高的能级跃迁到较低的能级，同时以光的形式释放出能量。
从物理角度来说，这一过程是由于空穴和电子的对撞释放出光子。在宏观层面上，这表现为不同波长的电磁波的发射。如果这些波长处于可见光范围内，我们就能看到LED发出的光。这一过程可以通过两体对撞的物理模型来解释，通过对称性和动量能量守恒定律计算光子的能量，进而通过光子能量公式计算出光子的波长。需要注意的是，在计算过程中必须考虑相对论效应，因为电子和空穴的速度可能很大。
LED之所以被称为“发光二极管”，是因为它具有二极管的基本性质。与普通二极管相比，LED的主要区别在于所使用的材料不同。普通二极管通常采用硅材料，而LED则使用不同的半导体材料来实现发光。例如，红色LED使用磷砷化镓（AlInGaP）材料，而蓝色LED则使用氮化镓（GaN）材料。
不同颜色的LED
LED能够发出不同颜色的光，主要是通过使用不同的半导体材料实现的。以下是几种常见颜色LED的特点：
蓝色LED
- 材料：普遍使用氮化镓（GaN）类半导体。
- 应用：主要用于照明器具、指示器、LED显示屏的蓝色光源以及液晶面板的背照灯光源等。与荧光体材料组合使用可得到白色光。
红色LED
- 材料：常用铝铟镓磷（AlInGaP）化合物半导体。
- 应用：广泛应用于霓虹灯、指示器、汽车尾灯和信号机等中的红色显示部分的光源、LED显示器的红色光源以及液晶面板的背照灯光源等。
绿色LED
- 材料：主要使用氮化镓（GaN）类半导体材料。
- 特点：目前效率相对较低，但研究显示通过改变GaN结晶的成长面，有可能将效率提高至目前的2倍以上。
- 应用：常用于霓虹灯和指示器、LED显示器等的绿色显示部分的光源以及液晶面板的背照灯光源等。
红外LED
- 材料：常用磷化铝镓砷（AlGaAsP）等砷化镓（GaAs）类半导体材料。
- 特点：正向电压较低，约为1.5V。
- 应用：主要用于红外遥控器、线通信的光源、测距传感器光源、光电耦合器光源以及打印机机头的光源等。
紫外LED
- 材料：主要采用氮化镓（GaN）类半导体。
- 特点：短波长光线的杀菌效果好。
- 应用：常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途，以及与荧光体组合发出可视光的LED等用途。
LED的类型
LED可以根据封装形式分为直插式和贴片式两大类：
直插式LED
- 外观分类：一般有3mm、5mm、8mm等圆柱型外观。
- 极性判断：通常根据引脚长短区分正负极（长正短负）。
贴片式LED
- 外形分类：包括0402、0603、0805、1206、3030、3528、5050等多种规格。
电路特性
LED的电路特性主要包括伏安特性曲线和一些关键参数：
伏安特性曲线
A点是开启电压，电压开启点以前是截止状态。从A点以后随着电压的升高，电流以指数形式增加。
AC段为正向工作区，LED与普通二极管正向导通电压要高一般大于1V。正向导通电流：正常情况下不应超过最大值的60%。
最大反向电压：当加载反向电压超过一定值后，LED将会烧毁。
反向漏电流：正向电压下，反向漏电刘是少子的运动很小，一般＜10uA。反向漏电流越小，说明LED单向导电性越小。
功耗：正向导通电流*正向导通电压即为消耗功率。应保证小于最大允许功率。
不同颜色LED的正向导通电压
下图展示了不同颜色LED在20mA工作电流下的正向导通电压。
光学特性
LED的光学特性主要包括以下几个方面：
- 发光强度：表示从特定方向观测到的亮度。单位为cd（坎德拉）。
- 光通量：指从光源发射出来的全部光量。单位为lm（流明）。
- 峰值波长 λP[nm]：指LED发出的光谱输出值最高的波长，单位为nm（纳米）。
- 主波长 λD[nm]：LED一般用波长表示颜色。主波长相当于眼睛看到的颜色所对应的波长，与发光波长的峰值波长有差异。
- 色度坐标 x, y：用二维正交坐标系表示LED发光颜色的刺激值，一般使用x y坐标系。
- 指向角：表示LED光辐射的范围。单位为“度”。将封装倾斜观察光输出时，用于判断从输出的极限值位置能观测多大角度。将输出达到峰值一半时的角度乘以2倍（从正面看时相当于左右端）的值叫做指向角。