LED技術(shù)全面解析

光明是人類(lèi)的本能追求之一

在19世紀愛(ài)迪生發(fā)明電燈之前，人類(lèi)實(shí)現照明的方式非常簡(jiǎn)單，那就是直接借助各種火源的直射光，例如蠟燭、油燈等等。這些發(fā)光設備雖然在人類(lèi)的歷史長(cháng)河中點(diǎn)燃了漫漫歲月，卻因為極低的發(fā)光效率和發(fā)光質(zhì)量，只能塵封在歷史的博物館中，進(jìn)入20世紀后，隨著(zhù)人類(lèi)新工業(yè)革命的爆發(fā)，以愛(ài)迪生發(fā)明的新式白熾燈為代表的照明設備，正式成為人類(lèi)生產(chǎn)生活中的主流發(fā)光設備。

在白熾燈出現之后，人類(lèi)社會(huì )的電力照明設備大致經(jīng)過(guò)了三個(gè)重要的發(fā)展階段，這三個(gè)階段中的代表性光源分別為熒光燈、高強度氣體放電燈和LED光源。其中高強度氣體放電燈由于對使用環(huán)境要求嚴格，成本較高，目前還不是民用領(lǐng)域的主流照明設備，所以，和我們日常生活息息相關(guān)的光源設備，也就只有白熾燈、熒光燈和led光源這三大類(lèi)。

LED光源

在這三大類(lèi)光源中，LED照明技術(shù)是出現時(shí)間最晚，優(yōu)點(diǎn)最多的一種照明技術(shù)，因此，自從20世紀60年代出現以來(lái)，伴隨著(zhù)近代半導體技術(shù)的發(fā)展，得到了大量的普及應用，特別是進(jìn)入21世紀之后，由LED照明技術(shù)衍生而出的LED顯示技術(shù)和LED輔助顯示技術(shù)，已經(jīng)顯露越來(lái)越強烈的發(fā)展勢頭。

除了在日常電力照明領(lǐng)域正在普及的LED光源，目前在顯示領(lǐng)域和LED有關(guān)的設備主要有兩種：一是直接使用LED成像的LED顯示屏，另一種就是利用LED的優(yōu)良發(fā)光特性，把LED作為電視背光源使用的新型液晶電視。另一種曝光率較高的OLED顯示技術(shù)，雖然只比LED多了一個(gè)字母，但是由于技術(shù)層面較大的差距，可以看成一類(lèi)全新的顯示技術(shù)，因此并不在本文的探討范圍之內。

那么LED技術(shù)的原理是什么？相比于白熾燈和熒光燈，LED技術(shù)有什么樣的優(yōu)點(diǎn)？LED顯示設備和LED輔助顯示設備又是什么東西？這就是本文將要闡述的三個(gè)方面。

LED照明技術(shù)的原理

LED是英文light emitting diode的縮寫(xiě)，即：光線(xiàn)激發(fā)二極管，屬于一種半導體元器件。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時(shí)會(huì )把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱(chēng)LED。

當它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線(xiàn)，光的強弱與電流有關(guān)。打個(gè)比方，LED就像一個(gè)漢堡，可以發(fā)光的材料是夾層中的“肉餅”，而上下的電極就是夾肉的面包。而通過(guò)對其中發(fā)光材料的研究，人們逐漸開(kāi)發(fā)出各種光色、光效率越來(lái)越高的LED元件，但是無(wú)論怎么變化，LED總的發(fā)光原理和結構都沒(méi)有發(fā)生太大的變化。

LED光源的優(yōu)點(diǎn)

紅光LED 白光LED

作為一種出現時(shí)間最晚的照明技術(shù)，LED的優(yōu)點(diǎn)不僅體現在發(fā)光質(zhì)量方面，在其生產(chǎn)、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳統光源，因此自60年代誕生以來(lái)，得到了長(cháng)足的發(fā)展和應用。而相對于白熾燈、熒光燈等老一代發(fā)光設備，LED的優(yōu)點(diǎn)主要體現在以下幾個(gè)方面：

1.LED在結構上沒(méi)有玻璃外殼，不需要想白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內抽真空或者沖入特定氣體，因此抗震、抗沖擊性良好，給生產(chǎn)、運輸、使用各個(gè)環(huán)節帶來(lái)便利。

2.LED元件的體積可以做的非常小，更加便于各種設備的布置和設計。

3.LED的發(fā)出的光線(xiàn)能量集中度很高，集中在較小的波長(cháng)窗口內，純度高。

4.LED元件的壽命非常長(cháng)，普遍在5萬(wàn)-10萬(wàn)小時(shí)之間，即使是頻繁的開(kāi)關(guān)，也不會(huì )影響到使用壽命。

5.LED響應時(shí)間非?？?，在微秒級別。

6.LED的發(fā)光指向性非常強，亮度衰減比傳統光源低很多。

7.LED在生產(chǎn)過(guò)程中不要添加“汞”，非常環(huán)保。

8.LED使用低壓直流電即可驅動(dòng)，對使用環(huán)境要求較低。

LED發(fā)光設備的這些優(yōu)點(diǎn)，不僅為其在日常照明領(lǐng)域的廣泛應用奠定了堅實(shí)基礎，也為L(cháng)ED進(jìn)入顯示設備領(lǐng)域打造了一條充滿(mǎn)希望的道路。

不過(guò)，LED并不是從一開(kāi)始就擁有如此之多的優(yōu)勢，也是經(jīng)過(guò)了一段較長(cháng)時(shí)間的發(fā)展，下面我們就去看看LED從誕生到現在所經(jīng)歷過(guò)的發(fā)展變遷之路。

LED照明技術(shù)的發(fā)展歷程

在LED剛剛出現的時(shí)候，其發(fā)光的顏色和效率都比較低。當時(shí)主要使用的發(fā)光材料是“GaAsP”，驅動(dòng)電流在20mA，只能發(fā)出紅色的光，而且發(fā)光效率只有0.1流明/瓦，因此亮度僅僅能夠滿(mǎn)足一些儀表、電器上的指示之用，并沒(méi)有得到廣泛的使用和注意。

LED發(fā)展回顧

而在隨后的幾十年里，一些新的發(fā)光材料被逐步引入到LED當中，LED逐漸開(kāi)始顯露出強勁的發(fā)展后勁。在70年代中期，通過(guò)引入元素In和N，使得LED可以發(fā)出波長(cháng)為555納米的綠光、波長(cháng)為590納米的黃光和波長(cháng)為610納米的橙光，同時(shí)發(fā)光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初，又出現了使用GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。而進(jìn)入90年代后，能發(fā)出紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)出綠光、藍光的GaInN兩種新材料的開(kāi)發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙色光區域（波長(cháng)615納米左右）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區域（波長(cháng)為530納米）的光效也可以達到50流明/瓦。不僅超過(guò)了傳統的白熾燈，而且和發(fā)光效率較高的熒光燈已經(jīng)非常接近。而按照材料科學(xué)的發(fā)展速度，發(fā)光效率能達到200流明/瓦的LED也將在較快的時(shí)間內問(wèn)世。