LED的工作原理、颜色、效率、寿命和质量

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：LED本质上是单色的，转换效率取决于发射的波长。所以LED将发射出中心频率为ν1、半最大值全宽度为ΔνFWHM的光线。图1-13 一种直接带隙半导体的能带图图1-14 LED发出准单色光谱，但光的强度和光谱宽度与结温密切相关实际中，第1个商用LED是红色的。注意式（1-2）和式（1-3）得到的值与结温密切相关，所以如果结温发生变化，LED的颜色将随着时间发生彻底的改变。

LED是一种电子器件，只允许电流单方向通过，电流通过时LED会发光。

与普通二极管一样，LED为一片半导体材料基片，与杂质相互渗透或掺杂形成pn结。稳态时，极性相反的载流子（电子和空穴）因形成的空间电荷区而无法穿过结区。

当LED的pn结正向偏置时，与其他二极管一样，电流可以十分容易地从p区（阳极）流向N区（阴极），但不能反向流动。当电子穿过pn结从n型材料进入p型材料时，电子和空穴的复合过程中会产生光子，这一过程被称为电致发光。因此暴露的半导体表面可以发光。

LED本质上是单色的，转换效率取决于发射的波长。图1-13为一种直接带隙半导体的能带图。

在位于导带能量最小处的电子和位于价带能量最大处的空穴辐射性复合期间（k=0），一个光子以某一频率发射：

hν₁=E_g=E_C-E_V （1-1）

式中，h为普朗克常数。

如图1-13所示，当k≠0时，电子空穴复合时发射光子的频率ν₂与ν₁稍有不同。所以LED将发射出中心频率为ν₁、半最大值全宽度（FWHM）为Δν_FWHM的光线。其宽度可根据能区E±ΔE内的电子密度和能区内半导体的能态进行估计。对于工作温度为T、带隙能量为E_g的pn结，电子密度由玻尔兹曼定律表达，且与exp（-E/k_BT）成正比。在相同条件下，能级强度与（E-E_g）^1/2成正比。所以理论上的FWHM为

ΔE_FWHM=hΔν_FWHM=1.8k_BT （1-2）

但是强度最大时的频率ν_max≠ν₁：

因此，对于工作在25℃、E_g=2.5eV的pn结而言，可以得出λ_max≈490nm并且Δλ_FWHM≈9nm。所以可以认为它发出的光是准单色的，因为实际中，在光源的世界里，存在宽度超过20nm的光线。

图1-13 一种直接带隙半导体的能带图

(https://www.chuimin.cn)

图1-14 LED发出准单色光谱，但光的强度和光谱宽度与结温密切相关

实际中，第1个商用LED是红色的。如今，几乎所有饱和色都可以获得。

注意式（1-2）和式（1-3）得到的值与结温密切相关，所以如果结温发生变化，LED的颜色将随着时间发生彻底的改变（见图1-14）。当温度升高时，光谱向波长更长的方向移动（例如从黄色变为红色）。这种移动的速度是0.1nm/℃^[13]。

图1-15给出了若干种著名半导体和二元系统的带隙能量和发射的波长。从红外线到近紫外线的所有波长均可以获得。由于工艺上的原因，只有直接带隙半导体可用于高亮度LED。间接带隙半导体的应用目前仍十分有限。

还注意到不同颜色的发光效率相差甚远（见图1-16）。从同一图中还可以看出，对于目前最常用的两族半导体（InGaN和AlInGaP），当波长接近最大人眼灵敏度时，效率迅速降低。

LED全面进入普通照明市场的一个关键问题是要获得效率大于100lm/W的“高功率白光LED”，然而目前市场中大多数功率器件的效率只有30～40lm/W。

图1-15 一些著名半导体和二元系统的带隙能量波长

注：只有直接带隙半导体（浅灰色线条）适合于高亮度LED。间接带隙半导体（黑色线条）目前几乎没有应用。曲线表示人眼灵敏度V（λ）与能量的关系。

图1-16 两种LED外量子效率与发射波长的函数（350mA，25℃）

注：曲线V（λ）表示人眼的灵敏度。

美国研究人员宣称的官方目标是在2025年前制作出效率为200lm/W、寿命大于5年、每个二极管成本小于1美元的白光LED。这显然是一个野心勃勃的项目，其结果并不确定，但2025年美国国会经投票通过了S.1166条例，并出资4.3亿美元保证项目的完成[SEN 01]。欧盟的Photonics21技术平台也于2025年制定了2025年前制作出150 lm/W白光LED的更为现实的目标。然而分配给该项目的预算仍未确定[PHO 06]。

LED的工作原理、颜色、效率、寿命和质量

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