发光二极管的实际运用

发光二极管的实际运用上海交通大学电工与电子技术课程总结 摘要：通过一个学期的电工课的学习，自己了解了二极管的特性，课本中为我们介绍了 稳压二极管、双极晶体管与发光二极管。而发光二极管（LED ）是一项拥有着巨大潜力的新型 照明技术。本片总结将根据了解到的资料，展示了发光二极管的实际运用，包括其在照明 生物医学等领域的运用。一、发光二极管的结构与原理正如我们所知道的发光二极管是由III-W族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、 GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。当在发光二极管上加正向电压并有足够 大的正向电流时，就能发出清晰的光，这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果。利用 GaAsP（磷砷化镓）可以发出红或黄光；采用GaP（磷化镓）则会发出绿光。在正向电压下，电子由N区注入P 区,空穴 由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子少 子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光1，如 图所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入 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。除了这种发 光复合外，还有些电子被非发光中心 （这个中心 介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴 复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。 发光的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 光的，所以光仅在靠近PN结面数“m以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度片有关，即 1.24moeV/Eg，式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫 光780nm红光），半导体材料的Eg应在 3.261.63eV之间。红光波长长的光为红外 光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光 二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高， 使用不普遍。二、发光二极管发展的限制由于发光二极管LED是半导体器件是通过PN结实现电光转换的。它不会造成环境污染, 并且比较安全节能，那么为什么LED的普及之路一波三折呢？主要原因是其仍然存在几个问 题还没有得到很好的解决，在此不得不提：首先是光效率的问题发光二极管的发光是由其半导体材料与LED芯片的结构和制造工 艺所决定的。而对于材料和芯片的研究是一个艰巨而复杂的过程，制造工艺又要由先进的设备和理论为基础。其次是功率问题，单纯地增加输入功率，亮度会成比例地增加，但 LED 芯片的发热量也会随之增加，过多的发热将损坏它的晶体和封装而缩短其寿命，因此使输入 功率电能高效地转为光能是重要的关健技术。另外，由于单个LED功率小，光亮度低，对于 照明来说，不可能单独使用，为此必须将多个LED组装在一起，设计成为实用的厶ED照明系 统，这就存在LED选择，使其特性保持相近的问题。虽然这三个问题不能完全解决，但是经过许多科研攻关，二极管的运用正在越来越普遍。三、发光二极管的主要运用我们知道发光二极管相比较传统发光设备，主要的优势在于发光效率，而对于一些需要 高光强的场合，二极管就显得不能发挥作用了，但是如果高亮二极管的技术比较成熟就可以 实现LED的进一步的普及。利用发光二极管所发的光颜色不同，红光的波长约为650nm,而高亮度红光的主要用途 是液晶显示光源色泽的改善。橙光的波长约620nm,橙光则可以运用于灯具、汽车的停止 显示灯或电饰用品。黄光 的波长为590nm，黄光二 极管则可应用于汽车的 方向灯、相机的辅助光源 电饰用品和照明设备,除 此以外：红光与蓝光可以 作为植物所需的光源。橙 光、黄光和蓝绿光,用于信 号设备。而最受到关注的 白光二极管可以作为汽 车的前灯,相机的闪光灯、 照明设备和探照灯等。4除了上图展示的汽车用灯外，汽车车内的以及仪表的照明、停车场的批示灯也在开发使 用当中。同时城市的装饰灯也是LED灯可以广泛应用的地方。用发光二极管代替城市的霓红 灯有着绝对的优势,因为发光二极管与霓红灯相比,除了长寿命、节能,还具有驱动和控制简易、 不需要维护的特点。之前一直没有提到的便是日常照明设备。照明设备可以分为室内室外，应该说室内的LED照明是比较普及的，但是室外高亮度照明，则需要进一步的研究。每一年全球的电力有 22%用于照明,随着发光二极管技术的成熟,发光二极管将取代传统的照明设备,将引发照明光 源的一场技术革命。从手电筒、照相机的闪光灯到矿工灯、探照灯特别是白炽灯、日光灯将 被发光二极管取代。5 四、其他运用发光二极管除了在照明等物理，能源领域有着巨大潜力，在生物医学工程上也有着巨大 的发展前景。医用光疗法是一个很早以前便就被人发现的医疗方法。其中生物钟的调节治疗，即高亮二极管光疗法，让视网膜接受光源的刺激可以经由神经 传至松果腺,进而改变血清素转变为退黑激素的数量。与此同时对于季节忧郁症的治疗，新 生儿黄疸的治疗，对伤口或者组织愈合的治疗甚至在口腔医学都中有较好的效果。LED 在医学中的运用有着以下的好处:仃丿安全性。固体状态的LED比传统 的气体激光器更安全。可靠性。LED 可以在医用设备光源中做到100%可靠。 低数量和小体积的特性。LED阵列用 于医学治疗中是因为它的体积很小,且 不必用大量的LED。丿光电转换效率高。 常用的激光器系统,特别是离子激光器 的转换效率特别低,小于0. 1%L (5丿脉冲 特性。脉冲输岀应用到皮肤治疗上更理 想,可以减少对皮肤接触面积内的色偏。丿易操作。紧 凑的结构高可靠性和低电压驱动对于医护人员操作起来更容易。丿价格低廉。LED阵列光 源医疗器械要比同情况下使用的激光器价格低很多。新的光波长的输岀。LED的波长几乎 已经涵盖了所有的可见光和近红外光的波,段而半导体激光器还无法获得。(9)专业的医用设 计。大多数的激光系统首先设计用于进行科学研究和其它的非医学应用D将直接设计为 医用。6五、结语目前LED广泛应用于照明领域的最大障碍在于成本问题。普通照明要用白光LED,由于目 前白光LED的光效还不够高功率还不够大价格也比较贵限制了其在照明领域的应用普通 照明量大面广传统的荧光灯和4/D灯已经在这个领域建立了统治地傷到广泛的应用这里 价格是一个重要因素。7随着LED功率型半导体芯片设计、功率型LED (半导体发光二极管)封装技术及荧光粉 等封装材料制备等关键技术进步，成本的进一步降低，以及人们对环保、安全、节能等要求 的不断提高，LED在特种领域的应用(医学，科学研究，实验)和日用照明的规模将不断扩 大，并在人们的工作生活工作中将扮演越来越重要的角色。五、参考文献1 .张继辉.浅谈半导体发光二极管(LED)及其应用A. In中国电子学会可靠性分会第十四 届学术年会C,中国海南海口，2008; 5.2 .夏继军，江仁杰半导体发光二极管(LED)的应用及发展前途J.湖南农机，2007, (05): 11-12.3 .赵清泉.半导体发光二极管及其照明的应用J.光源与照明，2005,(03): 18-19+28.4 .马彦，王红军,邵梅.发光二极管应用新领域J.灯与照明，2004, (03): 37-39.5 .李珏璇.发光二极管的应用J.科技资讯,2008, (31): 117.6 .崔鸿忠，李正佳，范晓红.发光二极管光源疗法在生物医学中的应用J.激光技术，2006, (06): 638-642+656.7 .宋贤杰，屠其非,周伟，etc.高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用J.半导体光电，2002,(05): 356-360.