LED技術(shù)全面解析

光明是人類的本能追求之一

在19世紀(jì)愛迪生發(fā)明電燈之前，人類實(shí)現(xiàn)照明的方式非常簡單，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(shè)備雖然在人類的歷史長河中點(diǎn)燃了漫漫歲月，卻因?yàn)闃O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(jì)后，隨著人類新工業(yè)革命的爆發(fā)，以愛迪生發(fā)明的新式白熾燈為代表的照明設(shè)備，正式成為人類生產(chǎn)生活中的主流發(fā)光設(shè)備。

在白熾燈出現(xiàn)之后，人類社會的電力照明設(shè)備大致經(jīng)過了三個重要的發(fā)展階段，這三個階段中的代表性光源分別為熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈和LED光源。其中高強(qiáng)度氣體放電燈由于對使用環(huán)境要求嚴(yán)格，成本較高，目前還不是民用領(lǐng)域的主流照明設(shè)備，所以，和我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的光源設(shè)備，也就只有白熾燈、熒光燈和led光源這三大類。

LED光源

在這三大類光源中，LED照明技術(shù)是出現(xiàn)時間最晚，優(yōu)點(diǎn)最多的一種照明技術(shù)，因此，自從20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來，伴隨著近代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，得到了大量的普及應(yīng)用，特別是進(jìn)入21世紀(jì)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)顯露越來越強(qiáng)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(shè)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多了一個字母，但是由于技術(shù)層面較大的差距，可以看成一類全新的顯示技術(shù)，因此并不在本文的探討范圍之內(nèi)。

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(shè)備和LED輔助顯示設(shè)備又是什么東西？這就是本文將要闡述的三個方面。

LED照明技術(shù)的原理

LED是英文light emitting diode的縮寫，即：光線激發(fā)二極管，屬于一種半導(dǎo)體元器件。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)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LED。

當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。打個比方，LED就像一個漢堡，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。而通過對其中發(fā)光材料的研究，人們逐漸開發(fā)出各種光色、光效率越來越高的LED元件，但是無論怎么變化，LED總的發(fā)光原理和結(jié)構(gòu)都沒有發(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(xiàn)時間最晚的照明技術(shù)，LED的優(yōu)點(diǎn)不僅體現(xiàn)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(tǒng)光源，因此自60年代誕生以來，得到了長足的發(fā)展和應(yīng)用。而相對于白熾燈、熒光燈等老一代發(fā)光設(shè)備，LED的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.LED在結(jié)構(gòu)上沒有玻璃外殼，不需要想白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內(nèi)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(yùn)輸、使用各個環(huán)節(jié)帶來便利。

2.LED元件的體積可以做的非常小，更加便于各種設(shè)備的布置和設(shè)計(jì)。

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

4.LED元件的壽命非常長，普遍在5萬-10萬小時之間，即使是頻繁的開關(guān)，也不會影響到使用壽命。

5.LED響應(yīng)時間非?？?，在微秒級別。

6.LED的發(fā)光指向性非常強(qiáng)，亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多。

7.LED在生產(chǎn)過程中不要添加“汞”，非常環(huán)保。

8.LED使用低壓直流電即可驅(qū)動，對使用環(huán)境要求較低。

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

不過，LED并不是從一開始就擁有如此之多的優(yōu)勢，也是經(jīng)過了一段較長時間的發(fā)展，下面我們就去看看LED從誕生到現(xiàn)在所經(jīng)歷過的發(fā)展變遷之路。

LED照明技術(shù)的發(fā)展歷程

在LED剛剛出現(xiàn)的時候，其發(fā)光的顏色和效率都比較低。當(dāng)時主要使用的發(fā)光材料是“GaAsP”，驅(qū)動電流在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足一些儀表、電器上的指示之用，并沒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(dāng)中，LED逐漸開始顯露出強(qiáng)勁的發(fā)展后勁。在70年代中期，通過引入元素In和N，使得LED可以發(fā)出波長為555納米的綠光、波長為590納米的黃光和波長為610納米的橙光，同時發(fā)光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初，又出現(xiàn)了使用GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)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(lán)光的GaInN兩種新材料的開發(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(qū)域（波長615納米左右）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（波長為530納米）的光效也可以達(dá)到50流明/瓦。不僅超過了傳統(tǒng)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(dá)到200流明/瓦的LED也將在較快的時間內(nèi)問世。