LED 即发光二极管,是利用半导体同质PN 结、异质PN 结、金属-半导体(MS)结、金属-绝缘体-半导体(MIS)结制成的发光器件。其工作原理以及某些电学特性与一般晶体二极管相同,但使用的晶体材料不同。LED 包括可见光、不可见光、激光等不同类型,生活中常见的为可见光LED。发光二极管的发光颜色取决于所用材料,目前有黄、绿、红、橙、蓝、紫、青蓝、白、全彩等多种颜色,可以制成长方形、圆形等各种形状。LED 具有寿命长、体小量轻、耗电量小、成本低等优点,且其工作电压低、发光效率高、发光响应时间极短、工作温度范围宽、光色纯、结构牢固(抗冲击、耐振动)、性能稳定可靠等特点,因此倍受人们的青睐。

LED 的发光体接近“点”光源(图1.1),灯具设计较为方便,但若作为大面积显示时,电流和功耗都较大。LED 一般可用于电子设备的指示灯、数码管、显示板等显示器件和光电耦合器件,也常用于光通信以及建筑物轮廓、游乐园、广告牌、街道、舞台等场所的装饰。

LED 点光源分为目标点光源(Target Point)和自由点光源(Free Point)两种类型。

·目标点光源可用来向一个目标点投射光线,其光线的分布属性有各向同性(isotropic)、聚光灯(spotlight)和网状(web)三种。

·自由点光源的功能和目标点光源一样,只是没有目标点,用户可自行变换灯光的方向。同样地,自由点光源也具有上述三种光度控制光线分布属性。

图1.1　LED 点光源

我们知道,发光是一种能量转换现象,当系统受到外界激发后,会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态。当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时,如果多余的能量以光的形式辐射出来,就会产生发光现象。半导体发光二极管利用注入PN 结的少数载流子与多数载流子复合,从而发出可见光,它是一种直接把电能转化为光能的发光器件,如图1.2所示。

(www.daowen.com)

图1.2　LED 的结构图与符号

LED 是一种固态的半导体器件,是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体材料制成的。例如,在Ⅳ族元素中掺杂V族元素,就形成导带中具有电子的N 型材料；在Ⅳ族元素中掺入Ⅲ族元素,就能形成价带中有空穴的P型材料。若在硅晶体中一半掺杂V 族元素,另一半掺杂Ⅲ族元素,则在两半之间的边界上形成一个PN 结,如图1.3 所示。它具有一般PN 结的I-U特性,即正向导通,反向截止、击穿特性(图1.4)。

图1.3　P型、N 型半导体和PN 结能带图

图1.4　PN 结伏安特性曲线

当给发光二极管的PN 结加上正向电压时,外加电场将削弱内电场,使结区变窄,载流子的扩散运动加强,由于电子的迁移率总是远大于空穴的迁移率,因此电子由N 区扩散到P区,是载流子扩散运动的主体。当导带中的电子与价带中的空穴复合时,电子由高能态跃迁到低能态,电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来,产生电致发光现象,而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与故意渗入的元素杂质有关。发光二极管辐射光的峰值波长取决于材料的禁带宽度Eg,即

由于不同材料的禁带宽度不同,故电子和空穴所占的能级也有所不同。能级的高低差影响电子和空穴复合后光子的能量,从而产生不同波长的光,也就是不同颜色的光。所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光,像荧光灯一样,由于LED 的出射光为位于可见光光谱范围内的窄带光,所以看上去是有颜色的,如红、橙、黄、绿等可见光。要使它变成接近自然光的白光,还需将出射的窄带有色光转化成占满整个可见光光谱的白光。现在已有红、黄、绿及蓝等颜色的LED,但由于材料及制造工艺等原因,成本有所高低。