半导体发光二极管的发光机理

原子、分子和某些半导体材料，能分别吸收和放出一定波长的光或电磁波。根据固体能带论，半导体中电子的能量状态分为价带和导带，当电子从一个带中能态E1跃迁(转移)到另一带中的能态E2时，就会发出或吸收一定频率(υ)的光。υ与能量差(ΔE=E2-E1)成正比，即

υ=ΔE/h (Hz)

此式称为玻尔条件。式中h=6.626×10-34J·s。当发光二极管工作时，在正偏下，通常半导体的空导带被通过结向其中注入的电子所占据，这些电子与价带上的空穴复合，放射出光子，这就产生了光。发射的光子能量近似为特定半导体的导带与价带之间的带隙能量。这种自然发射过程叫作自发辐射复合（图1）。显然，辐射跃迁是复合发光的基础。注入电子的复合也可能是不发光的，即非辐射复合。在非辐射复合的情况下，导带电子失去的能量可以变成多个声子，使晶体发热，这种过程称为多声子跃迁；也可以和价带空穴复合，把能量交给导带中的另一个电子，使其处于高能态，再通过热平衡过程把多余的能量交给晶格，这种过程称为俄歇复合。随着电子浓度的提高，这种过程将变得更加重要。带间跃迁时，辐射复合和非辐射复合的两种过程相互竞争。有的发光材料表现为辐射复合占优势。

半导体照明是一种采用发光二极管（LED）作为光源的照明装置，广泛应用于装饰灯、城市景观照明、交通信号灯、大屏幕显示、仪器仪表指示灯、汽车用灯、手机及PDA背光源、电脑及普通照明等领域。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它是半导体制成的光电器件，可将电能转换为光能。半导体照明相同亮度的能耗仅为普通白炽灯的十分之一，而寿命却为其100倍，被誉为“21世纪新固体光源时代的革命性技术”。

半导体照明产品的构成及其发光原理

与白炽灯和节能灯不同的是，半导体照明采用电场发光。它的基本结构是将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。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。LED因使用材料的不同，其二极管内电子、空穴所占能级也有所不同，能级差的不同使载流子复合时产生的光子的能量不同，从而形成不同波长的光。

由于半导体照明能把电能直接转换为光能，因此从理论上可以产生较高的光效。近几年来， LED的光效提高很快。在1998年，白光LED的光效只有5 lm/W，但在2000年时，白光LED的光效已达25 lm/W，这一指标与卤钨灯相近。2008年7月22日，位于加州的欧司朗公司在开发高亮度、高效率LED上取得了新的突破，在350 mA的标准条件下，亮度的峰值达到155 lm，效率达到136 lm/W。2009年，世界LED巨头Cree、Nichia新近宣布LED的发光效率实验值分别是161 lm/W@350 mA、145 lm/W@350 mA，这些结果都已经大大超过了现有照明灯具的光效。当然，上述这些都是在实验室取得的，在实际应用中，由于受散热性等多方面的影响，LED的光效仅只有几十lm/W。不过以当前LED技术的发展速度，相信LED光效的瓶颈会得到突破，从而真正实现LED照明的广泛应用。

半导体照明产品的分类

LED常见分类主要有以下五种方式：

(1) 按发光管发光颜色：可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。目前，为了提高LED的发光效率，推动LED在通用照明领域的应用，用红、绿、蓝三基色或其他途径合成白光LED成为该领域的研究热点。

(2) 按发光管出光面特征：可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为Φ2 mm、Φ4.4 mm、Φ5 mm、Φ8 mm、Φ10 mm及Φ20 mm等。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

(3) 按照发光强度角分布图，可分为以下三类：

高指向性：一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

标准型：通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

散射型：这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

(4) 按发光二极管的结构：可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

(5) 按发光强度和工作电流：按发光强度可分为普通亮度的LED（发光强度小于10 mcd）、高亮度的LED（发光强度介于10～100 mcd之间）和超高亮度的LED（发光强度大于100 mcd）；按照工作电流，可分为一般LED和低电流LED，其中一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2 mA以下（亮度与普通发光管相同）。

半导体照明产品的特点

在当前全球能源短缺的形势下，节约能源是我们正面临的重要问题。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，它的节能、环保、寿命长等特点，正是其不断受到世界各国推崇的重要原因：

(1) 寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时，一个LED灯在理想情况下可以使用50年。

(2) 色彩丰富：LED已经实现了多个波长的单基色，有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等，基本满足了应用领域对LED色彩的要求，随着更多新材料的开发，还会实现更多的基色及至全彩色。

(3) 稳定可靠：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小。在LED的寿命期内，LED一般都能稳定地工作，维护工作量较小。

(4) 电气安全性高：LED一般工作在低电压（6-24 V）、小电流（10-20 mA）环境下，属弱电级工作器件，有较好的电气安全性能。

(5) 节能环保效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到50%以上，而光效相近的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。而且LED灯不存在有害金属汞污染等问题，符合社会发展趋势。

(6) 应用灵活性好：LED可进行低压供电，也可用110 V/220 V电源供电，加上单粒LED的体积小（芯片更小，只用3-5 mm2），可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。

(7) 受控制能力强：现有的技术已经可以实现LED的亮度、灰度、动态显示、分布控制等，是其它发光装置无可比拟的。

(8) 抗震性能优越：LED的坚固、耐震、耐冲击性能都超过了目前所有其它类型的电光源产品。

(9) 响应速度快：LED的响应速度在毫秒级，可以有效地应用于显示屏、汽车刹车灯、相机闪光灯等领域。

(10) 显色性能良好：白色LED目前的显色指数Ra达到了70以上，色温范围从3600 K到11000 K不等（随荧光粉不同而变），而且已经获得了实验室提高的方案。

此外，LED还具有亮度高、无干扰、方向性好等特点。

一、LED发光原理

LED是一种固态半导体器件，可以将电能直接转换成光能。LED的核心是半导体芯片。芯片一端连接到支架上，支架为负极，另一端连接到电源的正极。整个芯片封装在环氧树脂中。半导体芯片由两部分

组成：以空穴为主的p型半导体和以电子为主的n型半导体。但当这两种半导体连接时，它们之间形成一个“P－N结”。

当电流通过导线进入芯片时，电子被推入p区，在那里它们与洞结合并释放出光子能量，这就是led发光的原理。光的波长决定了光的颜色，而颜色是由形成P－N结的材料决定的。

二、手机屏幕发光原理

屏幕的构造可以说各有优势，但差别也有相同的原稿和构图。一般来说，除了屏幕材质不同外，目前的显示屏还需要三片。那是背光，显示控制驱动器，过滤器。

一款显示屏正确的发色过程应该是这样的：一个背光，TFT的信号输入，确定什么颜色的排放——显示面板接收信息从TFT偏转器分子过滤器前面的显示面板过滤掉不必要的颜色＝正确的显示颜色。背光：以前是CCFL背光（冷阴极灯灭），就是现在的LED背光。

显示控制驱动：TFT目前用于控制和驱动显示屏。利用TFT薄膜场效应晶体管控制分子偏转以实现正确显示。它控制和驱动屏幕上每个像素的颜色和深度。

滤光片：顾名思义，用来显示颜色。携带染料和滤光作用。正确地发出彩色的光。

扩展资料：

LED发光二极管特点

1、安全性高：LED灯珠的工作电压一般是2．0－4．0V之间，所以安全性高，即使触电，也没有危险。

2、运用灵活：由于体积很小，所以可以灵活运用，做成各种体积、各种类型的灯。

3、超长寿命：理论上LED的寿命是10万个小时，而白炽灯只有1000个小时，节能荧光灯是8000个小时。

4、低碳环保：不含有害物质，如汞等重金属，所以非常环保，光效高决定了它的低碳节能。

5、高光效性：白炽灯的光效大概15lm／W，节能荧光灯为50－60lm／W，LED为100－120lm／W。

6、光线品质高：光线中无紫外线，对人体健康无害。

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