LED原理及应用(精)

点亮21世纪理想之光!LED技术全面解析

在古希腊神话故事中，创造了人类之神普罗米修斯为了使人们能够获得永恒的光明，不惜触怒最高之神宙斯，把能驱走黑暗，带来温暖和光明的火种偷偷带给人类，自己却受到了残酷的惩罚。这个故事不仅说明了光明对人类的重要，也反映了人类在追逐光明的道路上所付出的种种苦难。

光明是人类的本能追求之一

在19世纪爱迪生发明电灯之前，人类实现照明的方式非常简单，那就是直接借助各种火源的直射光，例如蜡烛、油灯等等。这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月，却因为极低的发光效率和发光质量，只能尘封在历史的博物馆中，进入20世纪后，随着人类新工业革命的爆发，以爱迪生发明的新式白炽灯为代表的照明设备，正式成为人类生产生活中的主流发光设备。

在白炽灯出现之后，人类社会的电力照明设备大致经过了三个重要的发展阶段，这三个阶段中的代表性光源分别为荧光灯、高强度气体放电灯和LED光源。其中高强度气体放电灯由于对使用环境要求严格，成本较高，目前还不是民用领域的主流照明设备，所以，和我们日常生活息息相关的光源设备，也就只有白炽灯、荧光灯和LED光源这三大类。

LED光源

在这三大类光源中，LED照明技术是出现时间最晚，优点最多的一种照明技术，因此，自从20世纪60年代出现以来，伴随着近代半导体技术的发展，得到了大量的普及应用，特别是进入21世纪之后，由LED照明技术衍生而出的LED显示技术和LED辅助显示技术，已经显露越来越强烈的发展势头。

除了在日常电力照明领域正在普及的LED光源，目前在显示领域和LED有关的设备主要有两种：一是直接使用LED成像的LED显示屏，另一种就是利用LED 的优良发光特性，把LED作为电视背光源使用的新型液晶电视。另一种曝光率较高的OLED显示技术，虽然只比LED多了一个字母，但是由于技术层面较大的差距，可以看成一类全新的显示技术，因此并不在本文的探讨范围之内。

那么LED技术的原理是什么？相比于白炽灯和荧光灯，LED技术有什么样的优点？LED显示设备和LED辅助显示设备又是什么东西？这就是本文将要阐述的

三个方面。

LED照明技术的原理

LED是英文light emitting diode的缩写，即：光线激发二极管，属于一种半导体元器件。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。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

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。打个比方，LED就像一个汉堡，可以发光的材料是夹层中的“肉饼”，而上下的电极就是夹肉的面包。而通过对其中发光材料的研究，人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件，但是无论怎么变化，LED总的发光原理和结构都没有发

生太大的变化。

LED光源的优点

红光LED 白光LED

作为一种出现时间最晚的照明技术，LED的优点不仅体现在发光质量方面，在其生产、制造、易用性方面都要大大超越白炽灯、荧光灯等传统光源，因此自60年代诞生以来，得到了长足的发展和应用。而相对于白炽灯、荧光灯等老一代发光设备，LED的优点主要体现在以下几个方面：

1.LED在结构上没有玻璃外壳，不需要想白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽真空或者冲入特定气体，因此抗震、抗冲击性良好，给生产、运输、使用各个环节带来便利。

2.LED元件的体积可以做的非常小，更加便于各种设备的布置和设计。

3.LED的发出的光线能量集中度很高，集中在较小的波长窗口内，纯度高。

4.LED元件的寿命非常长，普遍在5万-10万小时之间，即使是频繁的开关，也不

会影响到使用寿命。

5.LED响应时间非常快，在微秒级别。

6.LED的发光指向性非常强，亮度衰减比传统光源低很多。

7.LED在生产过程中不要添加“汞”，非常环保。

8.LED使用低压直流电即可驱动，对使用环境要求较低。

LED发光设备的这些优点，不仅为其在日常照明领域的广泛应用奠定了坚实基础，也为LED进入显示设备领域打造了一条充满希望的道路。

不过，LED并不是从一开始就拥有如此之多的优势，也是经过了一段较长时间的发展，下面我们就去看看LED从诞生到现在所经历过的发展变迁之路。

LED照明技术的发展历程

在LED刚刚出现的时候，其发光的颜色和效率都比较低。当时主要使用的发光材料是“GaAsP”，驱动电流在20mA，只能发出红色的光，而且发光效率只有0.1流明/瓦，因此亮度仅仅能够满足一些仪表、电器上的指示之用，并没有得

到广泛的使用和注意。

LED发展回顾

而在随后的几十年里，一些新的发光材料被逐步引入到LED当中，LED逐渐开始显露出强劲的发展后劲。在70年代中期，通过引入元素In和N，使得LED可以发出波长为555纳米的绿光、波长为590纳米的黄光和波长为610纳米的橙光，同时发光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初，又出现了使用GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。而进入90年代后，能发出红光、黄光的GaAlInP和发出绿光、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、橙色光区域（波长615纳米左右）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（波长为530纳米）的光效也可以达到50流明/瓦。不仅超过了传统的白炽灯，而且和发光效率较高的荧光灯已经非常接近。而按照材料科学的发展速度，发光效率能达到200流明/瓦的LED也将在较快的时间内问世。

白光LED的发光原理

而在LED发光技术的发展史上，白光型LED的出现，则成为LED进入快速发展阶段的重要突破。在上世纪末，受到荧光灯发光原理的启发，LED厂家通过在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉，用蓝光激发荧光粉发出白光的LED发光元件。此外，通过采用不同的荧光粉，可发出色温为4500～10 000K及色温为2850～3800K的多种白光LED，也让白光LED具备了成为新一代照明设备的能力。目前，白光LED的发光效率大都已超过30流明/W，某些产品已超过50流明/W的水平，具备了正式大规模实用化的基础。