2.2 LED简介

LED是一种固态的半导体器件，可以将电能转化为光能。LED的“心脏”是一个半导体晶片，该半导体晶片的一端附在一个支架上，另一端是负极，整个半导体晶片用环氧树脂封装。半导体晶片由两部分组成：一部分是P型半导体，在其内部空穴占主导地位；另一部分是N型半导体，在其内部电子占主导地位。当这两种半导体连接起来时，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个半导体晶片时，电子就会由N区注入P区，在P区与空穴复合，然后以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。光的波长是由形成P-N结的材料决定的。

LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物[如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等]制成的半导体器件，其核心是 P-N 结。因此它具有一般 P-N 结具有的单向导电特性，即正向导通、反向截止及击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向偏置电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。一部分进入对方区域的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合进而发光，LED的发光原理如图2-7所示。

假设发光是在P区中发生的，那么注入P区的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除这种发光复合外，还有一些电子被非发光中心（介于导带、价带中间）捕获，而后与空穴复合，每次复合释放的能量不大，不能形成可见光。发光复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发生的，所以仅在靠近P-N结面数微米以内产生发光现象。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度E_g有关，即

式中，E_g的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光，则可见光波长应为380（紫光）～780nm（红光），半导体材料的E_g应为3.26～1.63eV。

LED的图形符号如图2-8所示，其文字符号用VD或VD_L（E）表示。低压直流供电工作电路如图2-9所示。当LED工作在正向偏置电压下时，其发光亮度随工作电流的增大而增强。为限制LED的工作电流，电路中通常需要串联一个限流电阻（亦称镇流电阻）R。普通小功率LED的正向电压U_F为1.5～3V，正向电流I_F为5～20mA；白光LED的正向电压U_F通常为2.8～3.6V（常规正向电压为2.8～3.2V）。大功率白光LED的正向电流有350mA、700mA、1050mA三种，对应的功率分别为1W、2W、3W，大功率白光LED封装形式如图2-10所示。中功率白光LED的正向电流有60mA、150mA，对应的功率分别为0.2W、0.5W；功率为0.5W的SMD LED5730（全光谱LED植物生长灯）产生的灯光的波长为380～850nm。

注意

大功率 LED 的封装形式多种多样，生产者可以根据设计要求选择合适的封装形式，常用的封装为美国流明与美国科锐（CREE）的封装。

半导体材料的发光机理决定了单一的LED芯片不能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成白光。目前产生白光的方式有两种：一种是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光；另一种是将几种发不同颜色光的芯片封装在一起，构成发白光的LED。白光LED的类型及其原理如表2-2所示。

生产LED的技术如表2-3所示。

注意

目前常用的3种LED的衬底材料为蓝宝石（Al₂O₃）、硅（Si）、碳化硅（SiC），此外GaAs、AlN、ZnO等也可作为LED的衬底材料。