led的结构原理

一、什么是白光led：

对于普通照明而言，人们需要的主要是白色的光源。1998年发白光的led开发成功。这种led是将gan芯片和钇铝石榴石（yag）封装在一起做成。

gan芯片发蓝光（λp=465nm，wd=30nm），高温烧结制成的含ce3+的yag荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，峰值550nm。蓝光led基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有yag的树脂薄层，约200-500nm。 led基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。

现在，对于ingan/yag白色led，通过改变yag荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000k的各色白光。

主要芯片。自从1996年日亚化学发表ingan/y3al5o12：ce3+(简称yag:

ce)荧光粉的单芯片白光led，荧光粉转换白光led技术随之成为市场主流。荧光粉的发展则由较不安定的硫化物与卤化物，演变至化学与高温安定性较佳的铝酸盐(aluminate)、硅酸盐(silicate)、氮化物(nitride)以及氮氧化物(oxynitride)荧光材料，近期则以氮化物(nitride)以及氮氧化物(oxy-nitride)最为热门欧司朗研发了(tb1-x-yrexcey)3(al,ga)5o12，简称tag，仍然是钇铝石榴石的晶体结构，只是添加元素tb而得到区别于yag的新的黄色荧光粉，并申请了白光led专利。（tb读tei铽）

2、ｌｅ的结构和工作原理。

ｅｄ主要由ｐｎ结芯片、电极、光学系统及附件等组成。ｌｅ的发光体叫晶片，其面积为。

在洁净的环氧树脂中，封装半导体晶片。在半导体的ｐｎ结的ｐ型端加正电压，空穴就会流向ｎ型端，电子则由ｎ型端流向ｐ型端。当电子通过晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域，空穴和电子可以直接结合，在结合的过程中，能量以光的形式释放出光子，这就是ｌｅｄ的发光原理。

另外，有些ｌｅｄ中的电子加速后在撞击、游离化过程中也可释放出能量而发光。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子能量就越高。传统的发光二极管大多是利用砷化镓（ｇａ磷化镓（ｇａ或它们的组合晶体（ｇａ等ｉｉｉ族的半导体构成。

ｅｄ的颜色和发光效率等光学性能与半导体材料及其加工工艺有关。在ｐ型材料和ｎ型材料中掺入不同的杂质，就可以得到不同的单一波长的ｌｅｄ发光二极管，同时电气性能也会有所不同。根据光学原理，白光由连续光谱组成，因此，不可能制出直接发出连续光谱的单只白光ｌｅｄ在照明领域，应用最为广泛的是白光，因此，白光ｌｅｄ的研制和技术进步，关系到ｌｅｄ在照明领域的应用和推广。

单个ｌｅｄ发光二极管的光学系统包括平行发射器、偏振片、透光罩等。光学系统可以使ｌｅｄ的光束以平行光或一定的光束角发射出去（如图1所示）。因此，改变封壳圆顶的几何形状，就可以改变ｌｅｄ的光束角。

白光ｌｅｄ可以由一只ｌｅｄ产生的2种或3种单色光合成，也可以由几只单色光ｌｅｄ混装在一起，按三基色合成原理得到白光，如表2所示。目前，商品化白光ｌｅｄ主要有三种发光方式：

1）在４６０波长的ｉｎｇ蓝光晶粒上涂一层ｙａｇ荧光物质，利用蓝光ｌｅｄ照射此荧光物质，可以产生５５５波长的黄光，再利用透镜原理把可以互补的蓝光、黄光混合，就可以发射出白光（如图2所示）。但光谱中蓝色光谱较强，缺少红色光谱，显色指数ｒａ才达到７０。这是目前应用最为广泛的白光ｌｅｄ制作原理。

2）经紫外芯片激发ｒｇｂ三基色荧光粉，其发光机理与三基色荧光灯相似。改变荧光粉的成分比例，就可以得到各种色温的白光，显色性较好。

3）把ｒｇｂ三基色芯片封装在一起，改变三者的发光强度比例，就可以得到任意色温的白光（如图3所示），但产品质量不易控制。产品性能一致性较差，易受环境影响。

二、白光led发光原理。

众所周知，可见光光谱的波长范围为380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如led发的绿光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色红、绿、蓝合成。

由此可见，要使led发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的led，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长发光（蓝色光＋黄色光）或三波长发光（蓝色光＋绿色光＋红色光）的模式。

上述两种模式的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术，即当前各大led制造公司追逐的“蓝光技术”。

led（light emitting diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。led的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是p型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是n型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个p-n结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向p区，在p区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是led发光的原理。

1998年发白光的led开发成功。这种led是将gan芯片和钇铝石榴石（yag）封装在一起做成。gan芯片发蓝光（λp=465nm，wd=30nm），高温烧结制成的含ce3+的yag荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。

蓝光led基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有yag的树脂薄层，约200-500nm。 led基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于ingan/yag白色led，通过改变yag荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000k的各色白光。

（如下图所示）

表一列出了目前白色led的种类及其发光原理。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上yag黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，yag多为日本日亚公司的进口，**在2000元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以znse为材料的白光led，不过发光效率较差。

从表中也可以看出某些种类的白色led光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加三颜色荧光粉，用于封装led白光，预计三波长白光led今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。

采用led光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。近期，白色led已达到单颗用电超过1瓦，光输出25流明，也增大了它的实用性。表二和表三列出了白色led的效能进展。

表二单颗白色l ed 的效能进展。

表三长远发展目标。

1998年白光led开发成功。白光led具有发光效率高、功耗低、寿命长、环保等很多其它传统照明光源无法比拟的优势。白光led开始广泛运用于各个领域。

白光led技术尚有很大的发展空间。而其发光效率高、功耗低、寿命长、环保等特点更会带来更多的市场。而市场成功的关键在于：

及时投资，以便达到规模经济优势；技术领先；应用开拓实力；紧密联系客户的能力；竞争和联合能力，完善生产资源，确保销售渠道。综上所述白光led市场多元化，市场前景一片看好。目前白炽灯和卤钨灯，其光效为12～24流明/瓦；荧光灯和节能灯的光效为50～80流明/瓦。

白光ｌｅｄ光效以到达120流明/瓦，日本led巨头日亚（nichia）展示的实验室结果已将led发光效率提升至249lm/w。 led光源具有4大明显的优点：1,使用寿命长(使用寿命可达5万到8万小时，比传统光源寿命长10倍以上,节能省电(相同照明效果比传统光源节能80%以上).

3,坚固，不易破粹。4,环保(无辐射，废弃物可**，不含汞元素)，有业内专家认为，从长远角度来看，,led绿色照明灯具的海量市场和持续稳定的增长需求，led照明肯定将一统天下！

白光led照明新光源的应用前景。为了说明白光led的特点，先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯，其光效为12～24流明／瓦；荧光灯和hid照明灯的光效为50～120流明／瓦。

对白光led：在1998年，白光led的光效只有5流明／瓦，到了1999年已达到15流明／瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光led的光效已达25流明／瓦，这一指标与卤钨灯相近。有公司**，到2005年，led的光效可达50流明／瓦，到2015年时，led的光效可望达到150～200流明／瓦。

那时的白光led的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光led作家用照明光源，将成可能的现实。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽**便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光led作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间10000小时以上），几乎无需维护。目前，德国hella公司利用白光led开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光led作路灯照明；我国的城市交通管理灯也正用白光led取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光led定会进入家庭取代现有的照明灯。

照明光源一般要求色温在2700~6400k之间，显色指数ra≥80，因此，开发满足照明要求的高发光效率、低光衰的荧光粉对拓宽白光led在照明中的应用具有重要的意义。光效=光通量lm/功率w=lm/w

将日光和接近日光的人工标准光源的一般显色指数定为100。对同一物体，在被测光源照射下显现的颜色与标准光源的光照射下显现的颜色的一致程度越高，ra越大，显色性能越好；反之，显色性越差。

光源的颜色常用色温这一概念来表示。光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。

光通量（luminous flux）指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。

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