半导体发光二极管的原理及应用特点

张永兵

[摘    要]半导体发光二极管的应用范围广，功耗小，使用寿命长，低碳环保。我国半导体发光二极管的应用非常广泛，居民家庭中的很多照明设备都使用了半导体发光二极管，大部分路灯也使用了半导体发光二极管路灯作为照明光源，部分道路的照明灯具还结合了太阳能技术，可节省大量电能。感光二极管根据材质的不同，可以分成砷铝化镓感光二极管、磷砷化铝感光二极管、磷化镓感光二极管和砷化铝感光二极管等。主要对半导体发光二极管的原理及应用特点进行介绍。

[关键词]半导体;发光二极管;应用

[中图分类号]TN312.8 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]Semiconductor light-emitting diodes have a wide range of applications， low power consumption， long service life， low carbon and environmental protection. The application of semiconductor light-emitting diodes in our country is very extensive. Many lighting equipment in residential households in my country use semiconductor light-emitting diodes. Most street lamps also use semiconductor light-emitting diode street lamps as lighting sources. Some road lighting lamps also combine solar energy technology. Save a lot of power. Photosensitive diodes can be divided into gallium arsenide aluminum arsenide photosensitive diodes， phosphor aluminum arsenide photosensitive diodes， gallium phosphide photosensitive diodes， and aluminum arsenide photosensitive diodes. The article mainly introduces the principle and application characteristics of semiconductor light-emitting diodes.

[Keywords]semiconductor; light emitting diode; application

1 半导体发光二极管发光原理

半导体照明的感光二极管都是由Ⅲ～Ⅳ族化合物构成，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体构成的，其核心均为PN结，因此，其还具备一般P-N结的I-N特点，如正向导通，反向截止、击穿特点，并且在一些特定条件下，其还具备了发光特点。在正向电压下，电子由N区流入P区，空穴则由P区流入N区。流入对方区域的较少载流子（少子）中的一小部分与多数载流子（多子）结合而发亮。假如发光过程是在P区中进行的，则射入的电子与价带空穴进行结合而发亮，又或是电子先被发光中心捕获后，再与空穴结合而发亮。除这些发光复合之外，还有的是电子被非发光中心（这些中心介于导带、价带之间位置）所捕获，之后电子又和空穴结合，但每次放出的能量都不大，无法产生可见光。感光的复合量相比于非感光复合量的比值越大，则光量子效率就越高。但因为复合是在少子体扩散区域产生的，所以光只在靠近PN结面数微米以内产生。理论与实践都证明了，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg相关。若能形成可见光（波长在380 nm紫光～780 nm红光），则半导体材料的Eg值将在3.26～1.63 eV左右。比红外光波长的光是红外线。现在有近红外、红、黄、绿和蓝色发光二极管等，但其中的蓝色二极管成本、售价都很高，且应用并不广泛。图1为发光二极管示意图;图2为发光原理图。

2 半导体发光二极管的特性

2.1 极限参数的意义

容许功率：容许加在半导体发光二极管两端正向直流输出压力和通过它的电流之积的平均值。高于此值，半导体发光二极管过热、断裂。

较大的正向直流电压IFm：可以加的较大的正向直流电流。高于此值可能损伤二极管。

最大反向电流值：所容许加的最大反向电压。高过此值，则感光二极管很有可能受到击穿毁坏。

工作环境：指发光二极管能正常运行的理想化温度范围。减低或超出此操作温度范畴，感光二极管将没办法正常运行，效率减低。

2.2 电参数的意义

光谱分布范围和峰值波段：如果某一种感光二极管所感光的波段并不是某个波段，其波段大体按图2所示的布局。该感光管所发出的光中某一波段为零的感光硬度最大值时，该波段为最大峰值波段。

光谱宽度：代表了感光管的光谱纯度，是指图3中1/2峰值强度所相应的二波长间距。

正向运行时输出电压IF：这个是指感光二极管在正常的运行放光时的正向电压值。在合理应用中，应根据需要选择IF值在0.6 IFm之内。

V-I特点：在正向电压信号正等于某一值（叫阈值）时，电流输出信号极小，不发光。当电流输出信号达到一定值后，正向电流信号随压力而急剧上升，发光。从V-I曲线中可知道感光管的正向电流信号，正反向电流信号和正反向壓力等技术参数，感光管反向漏电流IR<10 μA。

3 半导体发光二极管的分类

按感光管的感光颜色分，可分成红、橙、翠绿（又划分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝等。除此之外，也有的感光二极管中还含有二种甚至三个以上彩色的晶片。而按照在感光二极管出光处掺或是不掺散射物、有色或是无色，这些不同颜色的感光二极管还应该分成彩色透光、无色穿透、彩色散射和无色散射等四个类别。

从发光强度角分布图来区分高方向性。通常由尖状环氧密封，或带金属反射腔的密封，但通常不加分散剂。半值入射角度5°～20°或更小，有很高的方向性，可用于部分照明光源使用，并与光挑选出器联合用以组成自动识别自动控制系统。

4 发光二极管的特点

4.1 节约能源

由于在半导体发光二极管发光的过程中，总的电能是一定的，所以有大部分电能都转换为光能，有部分电能也转换为能量。在常规的白炽灯泡发亮的时候，由于它的灯丝有数千摄氏度的高热，将大部分电能都以热能的形态辐射了出去，从而导致了大量能量的耗费。在同样的光照条件下，如果采用更节能的半导体发光二极管灯泡取代普通的白热灯，一般可以节省约80%～90%的能量。

4.2 发光二极管寿命长

发光二极管的理论寿命可達到10万h，这主要是由发光高压二极管不同于传统白热灯的感光原理所确定的。而传统的白热灯时间很久以后就会产生衰老和断丝的现状。而由于发光二极管是依靠少数载流子的不断移动而产生的，所以并没有产生上述情况。较长的延寿也给了发光二极管良好的稳定性，使发光二极管常被应用于电子工业中用作指示灯。

5 半导体发光二极管的应用

由于半导体发光二极管结构简单坚固、抗冲击、抗震动、性能稳定安全、材质轻、尺寸小、制造费用较低等特性，其使用非常普遍。因此红外发光管也常被用作电视、录音机等的遥控器中;半导体发光二极管已广泛运用在各类电子仪器、电子设备中用作电源与电平指示灯。近年来，由于半导体发光二极管的发光效果已提升一百倍，成本也降低到原来的1/10，广为用作大规模图文显示的全彩屏，状态指示灯、标志照明、电子信息显示屏、液晶显示屏等的背光源，以及车用组合式尾灯和汽车灯具等相关方面，其前景已吸引了世界照明大厂都相继投入半导体发光二极管灯光及市场研究中。具有良好发展前景和广泛应用前途的是白光半导体发光二极管，作为固体照明元件的经济效益可观，并有利于环境保护，已逐渐替代传统的白炽灯，美、日、欧也都提出了半导体照明规划。按固态激发光物理学原理，半导体发光二极管的感光效能可达到100%，所以，半导体发光二极管将被誉为21世纪的新型灯光，并可望作为世界继白热灯、荧光灯、强烈化学气体放电灯以后的第四灯光。

5.1 显示领域的应用

感光二极管在显示屏领域中的运用也非常普遍，最常见的是仪表盘指向灯。把常见感光二极管组合成矩阵，再制定为大小不一的控制模块，又或把多个感光二极管组合成同一条集束管。再以此来为一组图象，把多个集束管拼接，再搭配上专业的显示屏集成电路，便可形成一套感光二极管显示屏。这种显示屏可以形成各种各样的色彩。依照色彩差异可以分为单色、两色和全彩显示屏。尤其是全彩显示屏，不仅可以呈现出差异色彩的图象文字内容，还能显现3D动画图象与视频。因而，在不同公共场合，全彩显示屏都被大量的运用。

5.2 背光源领域的应用

背光源通常指的是在电脑手机等较小规格型号液晶显示屏上感光二极管供电的灯源，尤其是彩屏手机的推出对感光二极管的运用有非常大推动作用。因为发光二极管具有的环保节能特征，而被普遍作为手机操作面板、语音通话键盘及其拍照闪光灯等。如一部手机，假如使用了发光二极管作为操作面板，节约了能耗，还可以大幅度提高了手机的续航，而一个手机要使用上十多个的表贴式发光二极管组成。

5.3 景观照明领域的应用

伴随着人类生活水平的逐渐改进，对环境保护的要求也越来越高，景观灯饰早已变成环境保护艺术性的主要方法。用发光二极管制成五彩斑斓的景观灯不仅可以给周边环境增艳，还从材料生产制造等领域节约了许多产品成本。在商业广场、城市公园、商业街区等随处都有发光二极管的影子，但主要全是使用洁白的发光二极管，因为洁白的发光二极管的发光效率不高，因此能耗也较为小，这有益于环保节能。有一些建筑物中的诱导灯泡，也是由发光二极管所组成的。发光二极管既可以形成温和的灯色，为人类带来美，与此同时运用各种各样灯色的搭配，还可以使发光二极管显现出差异的色彩、艺术欣赏和文学层级。

5.4 装饰照明领域的应用

发光二极管在建筑装潢市场的运用也较广。房间内、小院装修、休息娱乐、戏台、宣传广告牌、货品陈列厅、工厂厂房仓库、校园内、办公大楼等，都会运用某些室内装修灯源，运用发光二极管也可营造与众不同的视觉效果。一套总体室内装修照明体系，应当由数个发光二极管分系统组成。这一些分系统通常由标准的CPU主控控制模块和全彩发光二极管驱动控制模块和电源转换控制模块所组成，控制模块和元件相互之间，还应当用标准接口相连，运用计算机软件完成差异的制定，就可以使总体室内装修照明体系显现出差异的艺术效果。

5.5 汽车照明领域的应用

汽车内的仪表盘和各类电器开关，都使用了发光二极管作显示灯。汽车外部灯光大多数为方向灯、车尾灯、刹车灯等。相较于白热灯，感光二极管普遍使用于汽车灯光应用场景，并具有抗机械设备碰撞和对震动回应迅速等优势。像汽车尾端高位刹车灯，发光二极管的响应时间更快，这对后车的司机提示十分关键。发光二极管在汽车行业的使用范畴正在由内往外、由后往前拓展，伴随着性价比的持续提高，发光二极管凭借着强大产能，终将占据整个汽车照明行业。

6 结束语

新时代在中国社会经济蒸蒸日上的过程中，科技也在创新提高，而科技也正慢慢地改善着人类的生活。发光二极管已普遍存在于人们周围，其作为光源有着能耗低，节能环保，安全等优势。因此各行各业对发光二极管的广泛使用，同时也从推动着半导体发光二极管的大量生产与应用。

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