初识LED的原理及其应用(精)

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1、初识 LED 的原理及其应用（没寄物理教师物理教学探讨山东省滕州市教研室 赵西耕 277500摘要：本文针对 LED 的原理、基本特点及其常见的应用等作了简要的说明，旨在让读者初步认识、了解LED,增加学习物理、应用物理的兴趣。关键词：LED 发光二极管 载流子LED显示屏 白光LED夜幕降临，在现代都市繁华的商业或娱乐区，除了绚丽多彩、不断闪烁的霓虹灯在装 点着人们的夜生活外，在高大建筑物外墙上悬挂的特大显示屏播放的大幅广告画面和精彩 文艺节目，更是提高了人们的夜生活质量，增加了人们的游览兴致。这时，有的读者可能 会问：这么大而薄的显示屏是用什么来制作的呢？虽然上述显示屏是多种知识综合应用的

2、结晶，其中涉及光电子学、半导体器件、数字 电子电路、大规模集成电路、单片机和微机等，但其显示（发光）部分却是中学物理课本 中介绍的发光二极管（LED）做成的，所以这类显示屏又称为LED显示屏。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，其基本结构如图1 所 示。这样的结构能提高LED的抗震性能。一、LED发光原理LED是利用注入式电致发光原理制作的，其核心部分是 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-

3、n结。在某些半导体材料的p-n结中，注入的少数载流子（电子和空穴）与多数载图1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。 p-n 结加 反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。二、LED光源基本特点与其它光源相比，LED光源具有以下基本特点:1.安全可靠性强：LED使用低压电源，根据产品不同，供电电压在624V之间。 所以它是一个比使用高压电源更安全的光源，特别适用于公共场所。并且LED发热量低 （冷光源），几乎无热辐射。能精确控制光型及其发光角度，光色柔和，无眩光。内置微 处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术的结合等。2耗电量少：在同样照明强度的情

4、况下，耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一。3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。如目前白炽灯、卤钨灯的发光效率为1224流明/瓦，荧光灯为5070流明/瓦，钠灯为90140 流明/瓦，灯的热效应白白耗电。而LED光源经改良后发光效率将达到50200流明/瓦， 并且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤就可直接发出有色可见光。4. 适用性强：LED个体很小，每个单元LED小片是35mm的正方形，所以可以制 备成各种形状的器件，很适合于各种易变的环境。5. 稳定性好：以国外学者普遍认为的以LED光衰减百分比数值作为其寿命的依据， 则如LED光衰减为初始的50%，

5、其平均寿命将达到10万小时（十年多）。而且LED还有 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，不易破碎等优点。6. 响应时间（LED点亮或熄灭所延迟的时间）短：LED灯的响应时间为纳秒（10-9 秒）级，而白炽灯的响应时间为毫秒（103秒）级。7. 颜色可变化：同一个LED,改变电流可以变色。LED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有利于环保： LED 为全固体发光体，不含汞、钠等危害健康的物质，废弃物可以 回收，几乎没有污染。三、LED 的应用

6、及前景基于以上所述LED的诸多优点，现在已经将LED广泛应用于指示灯、信号灯、特大 屏幕显示屏、景观照明等领域。在我们的日常生活中随处可见的有：家用电器、电话机等 的电源指示灯，仪表板（盘）的照明灯，汽车防雾、刹车灯，交通信号灯等。尤其是近些 年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED制造工艺的不断进步和新材料（氮 化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展；色度 方面也已经实现了可见波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使 LED应用领域跨越至高效率照明光源行列成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人 类继爱迪生发明白炽灯泡后，照明

7、领域最伟大的发明之一。1单色光 LED 的发展及其应用最早应用半导体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，只能发红光，发光效率也只有约0.1流明/瓦。70年代中期，LED已经 能产生绿光、黄光和橙光，发光效率也提高到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。以后，随着新材料的不断出现，陆 续又出现了发蓝光的LED等，发光效率也不断的得到提高。最初LED 一般只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。又由于 LED 能够经受较强的机械冲

8、击和震动，响应速度 快（纳秒级），所以现在LED也应用于汽车信号灯，尤其是应用于高位刹车灯，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。金线LED芯片E F7 ELED芯片2 i :E： LED芯片发蓝光 F： YAG荧光粉发貴光 YAC荧光2白光 LED 和照明新光源 白光是 由多种单色光合成的复色 光（如太阳 光是 由红、橙、黄、绿、 蓝、靛、紫合成的白色光，彩色电视 机中的白色光也是由三基色黄、绿、 蓝合成的）。要使LED发白光，它的光谱特性应包括整个可见光谱范围，要制造这种性能 的LED,在目前的工艺条件下是不可能的。但根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的 白光，

9、至少需两种光的混合，即二波长发光（蓝色光黄色光）或三波长发光（蓝色光 绿色光+红色光）的模式。所以对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种 方法形成，第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光，其系统如图2所示，图中 GAM芯片发蓝光，它和YAG （钇铝石榴石）荧光粉封装在一起，当荧光粉受蓝光激发后 发出黄色光，结果，蓝光和黄光混合形成白光。图3是这种LED的结构构成。第二种是 多种单色光混合方法，采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。与普通照明光源（白炽灯、卤钨灯等）发光效率低、寿命短、维护工作量大相比，用 白光LED作照明，不仅发光效率高，而且寿命长，几乎无需

10、维护；废弃物的回收也较少， 有“绿色照明光源”之称。目前已应用于数码幻彩，护栏、广场、庭院、投光、水下等的 照明，如四川成都在火车南站的立交桥上安装了 30000多盏LED灯，形成了直射高空的 “城市之光”、 变化万千的“城市之门”、流光溢彩的斜拉索桥，既为蓉城夜景增光，又 丰富了市民的夜生活。作为工业用灯，LED主要适用于工矿井下工作者使用的头灯或夜间使用的手电等。在LCD产业如日中天的今天，LED也是LCD背景光源的最佳选择。3LED 显示屏为了使用LED方便，常常将LED排列成矩阵或笔段，预制成标准大小的LED模块； 或者将两只以上至数十只LED集成封装成一只LED集束管，作为一个象素（

11、又称为像素 筒）；将 LED 模块或集束管按照实际需要大小拼装排列成矩阵，配以专用显示电路，直流 稳压电源，软件，框架及外装饰等，即构成一台LED显示屏。LED显示屏经历了从单色、 双色图文显示屏，到图象显示屏，发展到今天已经达到了超高亮度全彩色视频显示的水平 （如本文开头所述的在高大建筑物外墙上悬挂的特大高清晰显示屏）。由于它具有发光效 率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，可以说能 够满足各种应用条件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个 方面。在这里值得一提的是我国 LED 显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步， LED 产业不但在

12、应用技术上取得了巨大的成功，而且在创新能力上也有出色的表现。LED作为一种新材料，近些年虽然得到了长足的发展，但在应用方面仍然存在一些技 术性的问题，如光通量较低；发出的光与自然光仍有一定的差距，人们的视觉不很自然； 尤其是价格偏高，制约着其尽快得到普及等。但是随着LED技术的日臻成熟，相信在不 久的将来，LED 一定会有更广泛的应用，更好的服务于全人类。参考文献：1 （美）尼曼（Neamen, D. A.）著，赵毅强等译.半导体物理与器件（第三版）电子工业出版社 2005/02/012 LED 灯及其发光原理 http:/www.songye.cc纸型：16K页数： 3字数： 3151字符数（不计空格）： 3408字符数（计空格）：3435段落数： 35行数： 106