发光二极管


发光二极管 (正體)

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三颗不同颜色的LED

发光二极管(Light Emitting Diode, LED),是一种半导体元件。初时多用作为指示灯、显示板等;随着白光发光二极管的出现,也被用作照明。它是21世纪的新型光源,具有效率高、寿命长、不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时,发光二极管能发出单色、不连续的光,这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分,可使发光二极管发出在近紫外线可见光红外线的光。

1955年,美国无线电公司(Radio Corporation of America)的鲁宾·布朗石泰(Rubin Braunstein)生首次发现了砷化镓(GaAs)及其他半导体合金的红外放射作用。1962年通用电气公司的尼克·何伦亚克(Nick Holonyak Jr.)开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。

目录

优点

  • 发光效率高
  • 反应时间快
  • 使用寿命长
  • 不易破损
  • 耗电量少
  • 环保无汞
  • 体积小
  • 可应用在低温环境
  • 光源具方向性
  • 造成光害少
  • 色域丰富[1]

缺点

  • 散热问题,如果散热不佳会大幅缩短寿命。
  • 除非购买高级产品、否则省电性还是输萤光灯(冷阴极管,CCFL)、有些LED的省电性也输给省电灯泡
  • 初期成本较高。
  • 因光源属于方向性,灯具设计需考量光学特性。

发光二极管技术

原理

结合蓝色、黄绿(草绿)色,以及高亮度的红色LED等三者的频谱特性曲线,三原色在FWHM频谱中的带宽约24纳米─27纳米。

发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样,发光二极管由半导体芯片组成,这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。与其它二极管一样,发光二极管中电流可以轻易地从p极(阳极)流向n极(负极),而相反方向则不能。两种不同的载流子:空穴电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合,电子会跌落到较低的能阶,同时以光子的模式释放出能量。

它所发出的光的波长(决定颜色),是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于硅和锗是间接带隙材料,在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁,此类跃迁没有释出光子,所以硅和锗二极管不能发光。但在极低温的特定温度下则会发光,必须在特殊角度下才可发现,而该发光的亮度不明显。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的,这些禁带能量对应着近红外线可见光、或近紫外线波段的光能量。

发展初期,采用砷化镓(GaAs)的发光二极管只能发出红外线或红光。随着材料科学的进步,各种颜色的发光二极管,现今皆可制造。

以下是发光二极管的无机半导体原料及发光颜色:

  • 铝砷化镓 (AlGaAs) - 红色及红外线
  • 铝磷化镓 (AlGaP) - 绿色
  • 磷化铟镓铝 (AlGaInP) - 高亮度的橘红色、橙色、黄色、黄绿色
  • 磷砷化镓 (GaAsP) - 红色、橘红色、黄色
  • 磷化镓 (GaP) - 红色、黄色、绿色
  • 氮化镓 (GaN) - 绿色、翠绿色、蓝色
  • 铟氮化镓 (InGaN) - 近紫外线、蓝绿色、蓝色
  • 碳化硅 (SiC) (用作衬底) - 蓝色
  • (Si) (用作衬底) - 蓝色 (开发中)
  • 蓝宝石 (Al2O3) (用作衬底) - 蓝色
  • 硒化锌 (ZnSe) - 蓝色
  • 钻石 (C) - 紫外线
  • 氮化铝 (AlN), 铝氮化镓 (AlGaN) - 波长为远至近的紫外线

蓝光与白光发光二极管

用氮化镓(GaN)形成的蓝光LED

1993年,当时在日本日亚化工(Nichia Corporation)工作的中村修二(Shuji Nakamura)发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)和铟氮化镓(InGaN)的具有商业应用价值的蓝光LED,这类LED在1990年代后期得到广泛应用。理论上蓝光LED结合原有的红光LED和绿光LED可产生白光,但现时生产的白光LED却很少是这样制造出来的。

现时生产的白光LED大部分是透过在蓝光LED(near-UV,波长 450 nm 至 470 nm)上覆盖一层淡黄色萤光粉涂层制成的,这种黄色磷光体通常是透过把掺了--(Ce3+:YAG)晶体磨成粉末后,混合在一种稠密的黏合剂中而制成的。当LED芯片发出蓝光时,部分蓝光便会被这种晶体很高效地转换成一个以黄色的光为主的较宽光谱(光谱中心约为580nm)。(实际上单晶的掺铈(Ce)的YAG被视为闪烁器多于磷光体。)由于黄光会刺激肉眼中的红光和绿光受体,再混合LED本身的蓝光,使它看起来就像白色光,而其所呈现的色泽常被称作“月光的白色”。这种制作白光LED的方法是由日亚化工所开发,并从1996年开始用在生产白光LED上。 若要调校淡黄色光的颜色,可用其他稀释金属取代Ce3+:YAG 中掺入的铈(Ce),甚至可以以取代YAG中的部份或全部铝的模式做到。

而基于其光谱的特性,红色和绿色的物件在这种LED照射下看起来会不及阔谱光源照射时那么鲜明。

另外由于生产工艺的波动,这种LED的成品的色温并不统一,从暖黄色的到冷的蓝色都有,所以在生产过程中会以其出来的特性作出区分。

另一个制作的白光LED的方法则有点像日光灯,发出近紫外光的LED会被涂上两种磷光体的混合物,一种是发红光和蓝光的,另一种是发绿光的,搀杂了硫化锌(ZnS)的铜和铝。但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂裂化变质,所以生产难度较高,而寿命亦较短。与第一种方法比较,它效率较低而产生较多热(因为Stokes Shift前者较大),但好处是光谱的特性较佳,产生的光比较好看。而由于紫外光的LED功率较高,所以其效率虽比较第一种方法低,出来的亮度却相若。

最新一种制造白光LED的方法没再用上磷光体。新的做法是在硒化锌(ZnSe)基板上生长硒化锌的磊晶层。通电时其活跃地带会发出蓝光而基板会发黄光,混合起来便是白色光。

其他颜色

近期开发出来的LED颜色包括粉红色紫色,都是在蓝光LED上覆盖上一至两层的磷光体造成。粉红色LED用的第一层磷光体能发黄光,而第二层则发出橙色或红色光。而紫色LED用的磷光体发橙色光。 另外一些粉红色LED的制造方法则存在一定的问题,例如有些粉红色LED是在蓝光LED涂上萤光漆或指甲油,但它们有可能会剥落;而有些则用上白光LED加上粉红色磷光体或染料,可是在短时间内颜色会褪去。

价钱方面,紫外线、蓝色、纯绿色、白色、粉红色和紫色LED是较红色、橙色、绿色、黄色、红外线LED贵的,所以前者在商业用途上比较逊色。

发光二极管是封装在塑胶透镜内的,比使用玻璃的灯泡或日光灯更坚固。而有时这些外层封装会被上色,但这只是为了装饰或增加对比度,实质上并不能改变发光二极管发光的颜色。

有机发光二极管,OLED

OLED 全名叫做有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode),与“薄膜晶体管液晶显示器”(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display, TFT-LCD)是不同类型的产品。部分国外又称 OLED 为有機電激光顯示(Organic Electroluminesence Display, OELD)。

OLED具有自发光性、广视角、 高对比、低耗电、高反应速率、全彩化、制程简单等优点,OLED显示器的种类可分单色、多彩及全彩等种类,而其中以全彩制作技术最为困难,OLED显示器依驱动方式的不同又可分为被动式(Passive Matrix,PMOLED)与主动式(active matrix,AMOLED)。

运作参数和效率

一般最常见的LED工作功率都是设定于30至60毫瓦电能以下。在1999年开始引入了可以在1瓦电力输入下连续使用的商业品级LED。这些LED都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题,而那半导体芯片都是固定在金属铁片上,以助散热。在2002年,在市场上开始有5瓦的LED的出现 ,而其效率大约是每瓦18至22流明

2003年九月,Cree, Inc.公司展示了其新款的蓝光LED,在20毫安下达到35%的照明效率。他们亦制造了一款达65流明每瓦的白光LED商品,这是当时市场上最亮的白光LED。在2005年他们展示了一款白光LED原型,在350毫安工作环境下,创下了每瓦70流明的记录性效率。[2]

今天,OLED的工作效率比起一般的LED低得多,最高的都只是在10%左右。但OLED的生产成本低得多,例如可以用简单的印制方法将特大的OLED阵列安放在屏幕上,用以制造彩色显示幕。

失效模式

最常见的发光二极管(和镭射二极管)的失效是逐渐降低光输出和效率损失。然而,瞬间的失效也是有可能会发生。晶核成长过程中的差排可能导致光辐射在差排的结合形成使得活性区域衰减的机制;意味着晶格中有存在缺陷,并可以经由热、高的电流密度及光的放射来加速其发生。

砷化镓及砷化铝镓相较于砷磷化镓、砷磷化铟镓及磷化铟是比较容易受这个机制所影响,基于活性区域的不同性质,氮化镓及氮化铟镓则对这类的缺陷更为敏感,不管怎样,高的电流密度可以导致原子的迁移电子跳离活性区域引出差排和点缺陷,看起来像是非光辐射的结合来产生热而非光,电离辐射同样的也会造成这样的缺陷,使得LED存在辐射电路局限的问题(例如在光绝缘体中),早期的红光因而有显著的短寿命情况。

白光LED通常使用一或多种的萤光粉,萤光粉会受到热跟寿命的影响而衰减并降低效率,导致产出的光色改变。

高的电子流在高的温度下会使得金属原子从电极扩散至活性区域,有些材料,尤其是氧化铟锡和银就容易有电子迁移的情形;有些状况,尤其是GaN/InGaN的二极管,阻挡层金属被使用来阻碍电子的迁移,机械的应力、高的电流和腐蚀性的环境可能会使得细小的连结发生导致短路的情形。

高功率LED对电流的拥挤敏感,不均匀的电流密度分布在接合点(junction)上,可能会产生局部的热点,存在热烧毁的风险,基板的不均匀导致热传导损失,使得问题变得更严重,常见的是来自于焊接材料的孔洞或是电子迁移效应和Kirkendall空洞,热烧毁是LED常见的失效。

当光的输出超出了临界水平而导致琢面(facet)烧熔时,雷射二极管可能会有激烈的光学损坏。

有些塑胶封装的材质会因为热的缘故而变黄,导致局部波长的光被吸收而影响波长。

突然间的失效常常是因为热应力所致,当环氧树脂的封装达到玻璃转移温度时,树脂会很快速的膨胀,在半导体和焊点接触的位置产生机械应力来弱化或扯断它,而在非常低的温度时则会让封装产生裂痕。

静电的放电也可能产生半导体接合点(junction)立即的失效,特性的永久漂移及潜在的损坏都会导致衰减的速率增加,接合在蓝宝石基板上的发光二极管及雷射,对ESD的损害更为敏感。

LED的使用

近看一颗典型的LED,可以看到其内部架构。

LED与没有极性白炽灯不同,只能在正向电流流过时才能发光。当加电压为正向时,会有较大的电流流过,于是我们称之为顺向偏压。如果电压极性接反了,则被称为逆向偏压,这时只有很小电流流过器件,并且不发光。LED 可以工作在交流电压下,但只有正向电压能使它被点亮,这会导致LED 以该交流电的频率闪烁。
可以参考下表来确定LED的极性:

符号: +
极性:
端子: 阳极 阴极
连线:
管脚:
记号: 条纹
管脚号: 1 2
PCB:
内部:
外部:


不论是看内部架构还是看外观,都不能百分之百准确确定发光二极管的极性。透过看管脚的长度来判断极性是最为可靠的,但也不是百分之百。

因为发光二极管的电压-电流特性与普通二极管是相似的(近似于指数曲线),所以一个很小的电压就会造成巨大的电流。进一步考虑到发光二极管生产工艺的离散性,因此很难用一个电压源为发光二极管供电,因为这样做很可能超过最大定额而使器件烧毁。
因为电压与电流成对数相关,所以在发光二极管的整个工作区,电压在基本上可以认为是恒定的,因此功率大致与电流成正比。为保证发光二极管功率的恒定,给它供电的应该是一个电流源。在不需要高效率的场合(例如指示灯),一般可以用一个电压源串连一个限流电阻,来作为电流源为发光二极管供电。
许多LED额定的反向击穿电压值一般比较低,因此加上几伏特的反向电压就可能损坏。由于一些制造商没有遵守关于极性的规范,因此使用LED之前,尽可能先查找数据资料,或者先用一个低压电源串连一个电阻测试出正确的极性来,以免器件被反向击穿。如果需要用超过反向击穿电压的交流电供电的话,可以用反并联一个二极管(或另一个LED)的方法进行保护。

有的LED在出厂时内部就已经集成了串连电阻。这样可以节省印刷线路板的空间,这在搭建样机或扩展印刷线路板时特别有用。然而由于串连电阻值在出厂时就已经确定,使得LED的一种主要的集成设置方法无法应用。为提升效率,(或者允许无须数模转换的集成控制),可以对LED进行周期性或交替的供电,只要闪烁频率高于人眼的视觉暂留,LED看起来就象连续发光一样。
只要有足够高的电压,多个LED可以与单个限流电阻串连起来。并联的应用一般会有问题,LED必须是同一型号以便拥有相近的正向电压。即便如此,生产工艺的波动也会让这种并联应用无法令人满意。详情请参考日亚应用手册。
双色LED单元包含两个二极管,极性相反(即两个二极管是反并联的),颜色不同(典型是红色和绿色),可以显示两种颜色,或者透过调整两个二极管导通时间的比例来实现各种混合颜色。另一些LED单元里的两个或多个不同颜色的二极管是共阳极或共阴极架构,这样无须改变极性就可以产生多种颜色的光。

可以用一个集成的多谐振荡器电路使LED闪烁起来。


补充: LED的功率从0.05W到1W甚至在3W-5W以上,LED工作需要满足两个条件:一是正向电压Vf=3.4V左右(有的更低),二是正向电流If在20mA到1A(甚至更高)。

LED的亮度取决于If的大小,因此LED需要用到不同的LED驱动IC来工作。

LED驱动IC的发展历程与趋势:

1、DC-DC BOOST(升压恒流):其采用电感储能升压架构,效率最高(90%以上),用于便携设备很理想。但电路会产生电磁噪声干扰(EMI),在通讯设备如手机里需要对PCB做处理,再加EMI Filter降低电磁干扰,但同时也使整体成本提高。

DC-DC芯片应用一般采用串联的LED结构,这样使LED亮度均匀一致。

此类常用LED驱动IC:BL8508(恒流)、BL8532(恒流)、BL8530、BL8530C 等。

2、Charge Pump:也叫电荷泵(充电泵),采用电容倍压来升压恒流驱动LED,不会产生电磁干扰。电荷泵大多采用并联LED电路,由于不用电感,没有电磁干扰,其整体成本得以降低。

3、Current Regulator:即稳流器(恒流源),无需任何的外接零件。 此类常用LED驱动IC:BL8580/AMC7110(3通道输出)、BL8581/AMC7111(4通道输出)。

4、LDO:即线性低压差稳压器。对于低成本方案可采用LDO来做LED驱动。 此类常用LED驱动IC:BL8563-33PRA(3.3V)、BL8563-35PRA(3.5V),最大300mA输出,可驱动若干个并联LED。

LED应用

Image:LED panel and plants.jpg
LED panel light source used in an experiment on plant growth. The findings of such experiments may be used to grow food in space on long duration missions.

已知的LED应用列表

发光二极管被用于各式嵌入式系统的讯息指示器:

  • 状态指示灯
  • 连续指示灯
  • 应急车辆上的发光条
  • 机场和火车站的轻薄型消息显示板,以及用于火车、汽车、电车以及渡轮的终点显示牌
  • 红光或黄光LED被用于需要保持夜间视觉环境下的指示器
  • 红光LED的字母数字显示器
  • 红、黄、绿和蓝光LED可用于铁路建设模型
  • 白光可以应用于照明,如:路灯、隧道灯、手电筒

用于传送数码讯息:

由若干独立的LED组成的单个光源

LED作为白炽灯萤光灯的替代品,被称为固态照明(SSL)──多个白光LED组合成一簇构成一个光源。LED的效率提升得很快:目前大功率白光平均光输出为60~80流明(lm/W),2008年底有望达到120 lm/W。LED的长寿命让固态照明非常有吸引力。机械上SSL也比白炽灯和萤光灯更坚固。目前固态照明还未能实现家用,因为还需要电源转换,而且比较昂贵,尽管成本正在下降。闪光LED目前已经被广泛应用了。

白炽灯泡非常便宜,但效率也很低,家用钨丝灯为16 lm/W,卤素灯大约为22 lm/W。萤光灯效率很高,50到100 lm/W (平均 60 lm/W),但是灯管易碎,并且需要起辉器和镇流器,因而有时会产生听觉噪音。节能灯里面集成了一个安静的镇流器,相对比较坚固和高效,适用于标准灯座,目前是家用照明的最佳选择。

随着技术的发展,SSL的成本会不断降低,并有望在2020年以前进入千家万户。现下LED主要用于信号指示,而在LED这一领域具有明显的优势。在世界各地,采用发光二极管发光的交通信号灯、汽车指示灯及道路状况告示等已慢慢的变得普遍。

由于具有极好的单色性,在一些需要某种颜色的场合,发光二极管也比白色的光源更有优势。与传统白光光源不同,发光二极管无须表面涂覆用于吸收大部份光输出的涂料,因为它们的颜色是与生俱来的,而且颜色多种多样。最近刚推出的一种“碧绿”色(蓝绿色,约500nm),符合交通指示灯和导航灯的规范要 求。

有些应用场合要求光源不能带蓝色成份,比如暗室的安全照明,存放一些感光化学材料的实验室的指示灯,以及一些必须保持暗夜适应性(夜景模式)的场合,诸如飞机尾部和桥梁的显示和观察。黄光发光二极管是满足这种需求的最佳选择,因为人眼对黄光比其他颜色光敏感得多。

照明应用例子

香港地下铁(MTR)列车中试验的发光二极管照明。

台湾高雄市自由一路的路灯已经在2007年6月改用LED路灯并且正式验收启用,其灯具的发光效率以及光型皆达到现有的道路照明标准。

香港港铁现时有一列行走荃湾线的列车在最后一节车厢的照明都换成了发光二极管照明。另外,亦在罗湖站的新扶手电梯上面的天花板安装一组试验性的LED日光灯。根据前九铁的刊物,这一组发光二极管日光灯预计可每年节省66%的电力消耗[3]

发光二极管显示屏

美国内华达州拉斯维加斯Fremont Street Experience的LED显示板,是目前在世界上最大的,长度为1,500 英尺。

发光二极管显示板所使用的LED有两种形式:传统炮弹型发光二极管和表贴型(SMD),大部分户外、室内显示屏都由多颗个别封装的发光二极管所构成,红、绿、蓝三种颜色的发光二极管形成一组,驱动后形成一个方形的全彩画素,分辨率由画素间距决定,间距为画素的中心点到另一邻近画素中心点的距离。世界最大的发光二极管显示屏长度超过1,500英尺,位于美国内华达州拉斯维加斯的Fremont Street Experience。

多数市场上的室内显示屏都用表贴SMD技术制造(现下延伸到室外市场的趋向)。SMD像素点包括红色、绿色、和蓝色二极管灯上的芯片组,然后焊接在PCB板上。各自的二极管比针头小,并一起被非常接近地设置。这种灯做出来的显示屏相对与传统炮弹型发光二极管做的显示屏,有更好的颜色一致型和大约减少25%的最小视距。

LED panels allow for smaller sets of interchangeable LEDs to be one large display.

室内使用的LED显示屏─一般须要一个以SMD技术制造的屏幕,且至少要有600 cd/m2(烛光每平方米, nits) 亮度。这通常足够(甚至过剩)用在公司和零售店,但是在高亮度的环境,屏幕的亮度可能是可见度的关键。流行和自动展示是两个高亮度发光二极管灯光的佳例,舞台灯光可能要更亮的发光二极管。相对而言,当屏幕快照出现在电视上时,低亮度、低色温(通常显示器的白点色温为6500-9000K,这比通常的电视生产集要蓝得多)则是必须的。

室外使用─多数情况下需要4000 nits亮度,一些更高亮度的型号提供的可达10000 nits的光强,甚至比阳光直射在屏幕上更明亮。

触控面板上的多重接触-传感

可见光发光二极管与光检测器都是使用能隙落在可见光波段的正-负接面,因此具有许多相同的物理特性,而将发光二极管应用在光检测上,是早已被熟知的技艺,但直到最近,被称为双向发光二极管阵列方被提出,并应用在触控面板上的接触传感(touch-sensing)。2003年,Dietz、Yerazunis与Leigh发表的论文中[4] ,叙述了如何把发光二极管应用为便宜的检测元件。


在此应用中,阵列中各个发光二极管被快速地被点亮、熄灭。发光二极管点亮后,发射光照射到操作者的手指或图案,其反射光再经由熄灭状态的发光二极管所检测,并在反向偏压下操作的发光二极管上,感应出电压,接着透过微处理器读出该感应电压的大小,Jeff Han的网站中提供影片展示该发光二极管阵列检测器之操作状况[5]


补充: LED的应用主要可分为三大类:LCD屏背光、LED照明、LED显示。

1、 小尺寸1.5寸到3.5寸LCD屏的背光:

例如手机、PDA、MP3/4等便携设备的LCD屏都需要LED来背光。

2、7寸LCD屏的背光(如数码相框):

3、大尺寸LCD屏的背光(如LCD TV/Monitor、笔记本电脑):

目前大部分LCD TV/Monitor、笔记本电脑的LCD屏是采用的CCFL荧光灯管做背光,因CCFL寿命、环保等不利原因目前正朝向采用LED背光发展。按LCD屏的尺寸大小一般需要数十个到上百个白光LED做背光,而其LED驱动IC市场潜力将会很大。

4、LED手电筒/矿灯:

5、LED草地灯:

6、LED照明:

照明经过白炽灯、日光灯,到现在比较普遍的节能灯,再下个阶段应该就是LED照明灯的普及了,这里需要超高亮度的LED,超长寿命、极低功耗将是LED灯很大的优势,同时成本考量也是一个关键。

7、LED显示:

我们在公交车、地铁里都能看到各样的LED字幕显示屏,并且在户外也有不少大屏幕LED点阵显示屏幕,从远处看就是一个比较清晰的超大屏幕电视机。这里需要用到专用的LED显示控制芯片。

参见

参考文献

  1. ^ [1] 什么是LED?
  2. ^ [2]
  3. ^ 九广东铁,(2006年),〈罗湖站改善工程 第二期正式展开〉,《程趣@KCR》,2006年12月第14期第05页。
  4. ^ [3]
  5. ^ [4] 发光二极管阵列检测器之操作状况。
维基共享资源中相关的多媒体资源:






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