【E課堂】從頭到腳解剖LED

　　在1962年誕生的初始，LED只是激光技術(shù)的副產(chǎn)品，但是經(jīng)過歲月的打磨，它已經(jīng)成為了照明業(yè)的王者。

　　回顧歷史

　　1907年，英國(guó)馬可尼(Marconi)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Henry Round第一次推論半導(dǎo)體PN結(jié)在一定的條件下可以發(fā)出光。這個(gè)發(fā)現(xiàn)奠定了LED被發(fā)明的物理基礎(chǔ)。

　　1927年，俄羅斯科學(xué)家奧列弗拉基洛謝夫(Oleg Vladimirovich Losev)獨(dú)立制作了世界上第一顆LED，其研究成果曾先后在俄國(guó)、德國(guó)和英國(guó)的科學(xué)雜志上發(fā)表，可惜當(dāng)時(shí)并沒有人理睬他。

　　1955年，美國(guó)無線電公司(RadioCorporation of America)33歲的物理學(xué)家魯賓·布朗石泰(Rubin Braunstein)首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵(GaAs)及其他半導(dǎo)體合金的紅外放射作用并在物理上實(shí)現(xiàn)了二極管的發(fā)光，可惜發(fā)出的光不是可見光而是紅外線，但這個(gè)貢獻(xiàn)也很大了。

　　1961年，德州儀器公司(TI)的科學(xué)家鮑勃·布萊德(Bob Biard)和加里·皮特曼(Gary Pittman)發(fā)現(xiàn)砷化鎵在施加電子流時(shí)會(huì)釋放紅外光輻射。他們率先生產(chǎn)出了用于商業(yè)用途的紅外LED并獲得了砷化鎵紅外二極管的發(fā)明專利。不久，紅外LED就被廣泛應(yīng)用于傳感及光電設(shè)備當(dāng)中。

　　1962年，美國(guó)通用電氣公司(GE)一名34歲的普通研究人員尼克·何倫亞克(Nick Holonyak Jr.)發(fā)明了可以發(fā)出紅色可見光的LED，被稱為“發(fā)光二極管之父”，后來也獲得了N多獎(jiǎng)項(xiàng)。當(dāng)時(shí)的LED還只能手工制造，而且每只的售價(jià)需要10美元。1963年，他離開通用電氣公司，出任其母校美國(guó)伊利諾大學(xué)電機(jī)工程系教授，培養(yǎng)自己的接班人。

　　1972年，何倫亞克的學(xué)生喬治·克勞福德(M. George Craford)踏著前輩們的腳步發(fā)明了第一顆橙黃光LED，其亮度是先前紅光LED的10倍，這標(biāo)志著LED向著提高發(fā)光效率方向邁出的第一步。

　　20世紀(jì)70年代末期，LED已經(jīng)出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，但依然沒有藍(lán)色和白色光的LED。因?yàn)橹挥邪l(fā)明出藍(lán)光LED才可能實(shí)現(xiàn)全彩色LED顯示，市場(chǎng)價(jià)值巨大，也是當(dāng)時(shí)世界性的攻關(guān)難題?？茖W(xué)家們轉(zhuǎn)而將重點(diǎn)放在了提高LED的發(fā)光效率上面。

　　20世紀(jì)70年代中期，LED可產(chǎn)生綠、黃、橙色光時(shí)，發(fā)光效為1流明/瓦，到了20世紀(jì)80年代中期對(duì)砷化鎵和磷化鋁的使用使得第一代高亮度紅、黃、綠色光LED誕生，發(fā)光效率已達(dá)到10流明/瓦。

　　1993年，中村修二在日本日亞化學(xué)工業(yè)株式 會(huì)社(Nichia Corporation)就職期間，利用半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)和銦氮化稼(InGaN)發(fā)明了藍(lán)光LED，在藍(lán)光LED出現(xiàn)之前，由于無法通過RGB系統(tǒng)合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應(yīng)用于照明領(lǐng)域。因此在1995年中村修二采用銦氮化稼又發(fā)明了綠光LED，在1998年利用紅、綠、藍(lán)三種LED制成白光LED，從此綠光與白光LED研制成功，標(biāo)志著LED正式進(jìn)入照明領(lǐng)域，是LED照明發(fā)展最關(guān)鍵的里程碑。中村修二被稱為“藍(lán)光、綠光、白光LED之父”

　　1996年，日亞化學(xué)公司在日本最早申報(bào)的白光LED的發(fā)明專利就是在藍(lán)光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉被激活后發(fā)出的黃光互補(bǔ)而形成白光。藍(lán)色和白色光LED的出現(xiàn)拓寬了LED的應(yīng)用領(lǐng)域，使全彩色LED顯示、LED照明等應(yīng)用成為可能。

　　21世紀(jì)初，LED已經(jīng)可以發(fā)出任何可見光譜顏色的光(還包括有紅外線和紫外線)。其發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到100流明/瓦以上.

　　發(fā)光機(jī)理

　　LED取自Light Emitting Diode三個(gè)字的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”，具有二極管的特性。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片。晶片主要由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成，不同材料的P型和N形半導(dǎo)體經(jīng)正向電流作用下會(huì)發(fā)出不同色彩的光。

　　優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　先說優(yōu)點(diǎn)

　　1.節(jié)能，比白熾燈節(jié)能80%以上，比節(jié)能燈節(jié)能50%以上

　　2.體積小，重量輕，不怕震動(dòng)

　　3.光效高，是白熾燈15m/w的8倍，是熒光燈50 Lm/w的2倍多

　　4.光色可選擇，LED光源的發(fā)光顏色和色溫都可以靈活應(yīng)用

　　5.方向性好，LED發(fā)光角度可以靈活調(diào)整

　　6.環(huán)保：沒有節(jié)能燈所含的汞等有害物質(zhì)

　　7.冷光源無紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射。

　　8.壽命長(zhǎng)，壽命可達(dá)5萬-10萬小時(shí)比傳統(tǒng)光源壽命長(zhǎng)10-50倍以上。

　　9.響應(yīng)速度快，納秒級(jí)。

　　1.散熱問題，LED在電致光的過程中另外一部分能量轉(zhuǎn)化成熱量，如無法及時(shí)散發(fā)出去，PN結(jié)的結(jié)溫將會(huì)升高，加速芯片和封裝樹脂的老化，使芯片失效，影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)

　　2.防水性能差，是戶外使用的一個(gè)致命弱點(diǎn)光源內(nèi)部吸水后內(nèi)部金屬氧化影響輸出或產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、熒光粉吸潮變色，光色漂移

　　3.成本較高.光源.散熱器.電源.高透燈罩/透鏡/反射罩.四者成本集體推高LED成本

　　4.需要驅(qū)動(dòng)器提供恒流電源，驅(qū)動(dòng)器壽命是影響燈具壽命的重要因素

　　5.半導(dǎo)體器件，對(duì)靜電影響比較敏感，易被靜電擊穿PN結(jié)導(dǎo)致漏電流或死燈

　　與傳統(tǒng)光源相比

　　LED的特性

　　LED工作電壓一般在2-3.9V之間。(不同光色的LED壓降不一樣)：綠色-3.3-3.9V;藍(lán)色、寶藍(lán)色-3.1-3.9V;紅色、琥珀色、橘紅色、-2.1-2.5V。LED的工作電流會(huì)隨著供應(yīng)電壓的變化而產(chǎn)生較大的波動(dòng)，所以LED一般要求工作在恒流驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。LED具有單向?qū)ǖ奶匦?電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出)。LED的光輸出會(huì)因應(yīng)其輸入的電流而產(chǎn)生變化。LED的光輸出深受其工作溫度的影響。