代码收藏家技术教程 2023-05-11

【硬件】LED灯发光原理总结

LED作为生活以及硬件中极其重要的一环，我们来了解一下LED这个电子元件。

LED原理及产业分类LED是发光二极体( Light EmitTIng Diode, LED)的简称，也被称作发光二极管，这种半导体组件发展以来一般是作为指示灯、显示板，但目前随着技术增加，已经能作为光源使用，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时～10 万小时的使用寿命，同时具备不若传统灯泡易碎，并能省电，同时拥有环保无汞、体积小、可应用在低温环境、光源具方向性、造成光害少与色域丰富等优点。

在1955年时，美国无线电公司（Radio CorporaTIon of America）的Rubin Braunstein发现了砷化鎵（GaAs）与及其他半导体合金的红外线放射作用，而1962年美国通用电气公司（GE）的Nick Holonyak Jr则开发出可见光的LEDLED。不过，LED真正的起飞是在1990年代白光LED出现后，才开始渐渐被重视，而应用面越来越广。

Part 1：LED组成

要知道LED的发光原理，我们先来看一下LED的组成，拿起你手边的LED灯（最常见的那种），LED灯发光主要靠晶片，金线，银胶。然后通过参入荧光粉层的方式来改变LED的颜色。

顺便插播一下：蓝色LED是一个十分年轻的发明。

蓝色发光二极管，即蓝光LED，是能发出蓝光的发光二极管，其发明获誉为“爱迪生之后的第二次照明革命”。蓝光LED的发明，使得人类凑齐能发出三原色光的LED，得以用LED凑出足够亮的白光。白光LED灯的发明，大幅提高了人类的照明效率。

2014年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加利福尼亚大学教授中村修二因“发明高亮度蓝色发光二极管，带来了节能明亮的白色光源”共同获得当年的诺贝尔物理学奖。 [1-3]

下面我们来介绍一下原理：

Part 2：工作原理

发光二极管核心是二极管的空穴和电子在电压作用下从电极流向PN结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光的形式释放出能量。如下所示：

从物理角度上来说，是由于空穴以及电子的对撞释放出光子，在宏观层面上来说就发出不同波长的电磁波，如果是在可见范围内那就是我们熟知的LED了。可以参考两体对撞的物理模型，通过对称性以及动量能量守恒计算出光子的能量，再通过光子能量公式就可以算出光子的波长，切记，这里一定要考虑相对论效应，这个电子以及空穴的速度很大。

这里有一个比较不错的科普视频，虽然不够严谨，但是通俗易懂：相比白炽灯，效率提升了10几倍！LED的工作原理，发光二极管到底是如何发光的呢？_哔哩哔哩_bilibili

那么你有没有想过为什么叫做发光“二极管”？

因为这个也具有二极管的性质。

那么不禁又问了，那这个和普通二极管有什么区别吗？

这两个二极管不同之处在于材料的不同。

二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

更加微观来说，二极管采用的材料是硅，而纯净的硅晶体最外层能够形成稳定的八电子结构，而这个二极管则是在N区中参杂了五价的磷，所以最外层多出来一个自由电子，而在P区参杂了三价的硼，因此产生一个空穴，所以当自由电子收到反向外界电场作用时，会向着空穴移动，进而产生热量，这也就是我们平时所说的二极管被烧毁。

而LED不一样，不同颜色参杂的材料不一样，比如红色LED用磷砷化镓来代替硅，纯净的电子与空穴碰撞发出光子，LED就是这样发光的。

（这里我还有一个疑惑，为什么在硅中不发光而在磷砷化镓中发光，电子跃迁的能级应该是相同的才对）

Part 3：不同颜色的二极管

那么怎么让其发出各种颜色的光呢。通过三原色的复合或者在三原色上叠加不同的荧光层都可以做到。

更加具体的方面转载了一位博主的总结

一、蓝色LED

指蓝色发光二极管。蓝色LED的材料普遍使用氮化镓（GaN）类半导体。以前曾盛行用硒化锌（ZnSe）类半导体开发蓝色LED，但自从1993年12月采用氮化镓类半导体的高亮度蓝色LED被开发出来后，蓝色LED的主流就变成了采用氮化镓类半导体的产品。

氮化镓（GaN）类蓝色发光二极管发光波长的中心为470nm前后。用于照明器具和指示器等蓝色显示部分的光源、LED显示屏的蓝色光源以及液晶面板的背照灯光源等。与荧光体材料组合使用可得到白色光。目前的白色LED一般采用蓝色LED与荧光材料相组合的构造。

二、红色LED

发红光的二极管。目前，红色LED的常用材料是铝铟镓磷或磷化铝铟镓（AlInGaP）化合物半导体。在LED领域4元材料一般就是指AlInGaP，AlInGaP因使用铝（Al），镓（Ga），铟（In）和磷（P）4种元素，称为4元材料。AlInGaP不仅仅指红色，还涵盖了从红色到黄色的波长范围。

在AlInGaP面世以前，GaAs类半导体为主流材料。采用的是液相外延成长技术。1990年代后以MOCVD法为代表的气相外延成长技术取得进步，结晶的质量得以提高的结果AlInGaP的亮度迅速增加。

红色LED发光中心波长在620～630nm左右。应用范围广泛，主要用于霓虹灯、指示器、汽车尾灯和信号机等中的红色显示部分的光源、LED显示器的红色光源以及液晶面板的背照灯光源等。

三、绿色LED

发射绿光的二极管。绿色LED主要使用的氮化镓（GaN）类半导体材料比用于蓝色LED时的效率低，输入相同的电流，光输出功率较低。目前销售的GaN类半导体绿色LED效率低下的原因主要在于压电场。压电场是指因结晶构造的应力而导致的压电极化所产生的电场。日本国内外的大学和LED芯片厂商等已开始着手研究通过改变GaN结晶的成长面，来大幅提高效率，如果GaN类半导体的结晶面得以改变，有可能会将绿色LED的效率提高至目前的2倍以上。

市面上为了调制成亮度高且均衡的白色，考虑到人眼的视觉灵敏度，常采用RGB混色方式，配合红色LED、绿色LED和蓝色LED构成LED显示器或液晶面板的背照灯光源时RGB三色LED光量的分配比例需为约3:6:1或者约3:7:1。因绿色LED的亮度不足，因此必须使用多个绿色LED来提高输出功率。绿色LED与红色LED及蓝色LED相比，被认为尚有较大的改进余地。

绿色LED，发光中心波长在560nm左右。常用于霓虹灯和指示器、LED显示器等的绿色显示部分的光源以及液晶面板的背照灯光源等。

四、红外LED

顾名思义指发射红外光线的二极管。常用磷化铝镓砷（AlGaAsP）等砷化镓（GaAs）类半导体材料。红外LED的历史较为长久，1962年就发现了利用以砷化镓（GaAs）为代表的III-Ⅴ族化合物半导体的pn结可放射出相当于红外光的电磁波的现象。

红外LED的正向电压约为1.5V，与红色LED的2V以上和蓝色LED的3V以上相比要低。

红外LED发光波长超过700nm的LED，多用作红外遥控器线通信的光源、测距传感器光源、光电耦合器光源以及打印机机头的光源等。

五、紫外LED

发射紫外光的二极管。紫外LED主要采用的也是氮化镓（GaN）类半导体。常指发光波长在400nm以下的LED，但有时将发光波长大于380nm时称为近紫外LED，而短于300nm时称为深紫外LED。短波长光线的杀菌效果好，因而紫外LED常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途，以及与荧光体组合发出可视光的LED等用途。例如将红色、绿色和蓝色荧光体与紫外LED组合，也可获得白色LED。

以上是深圳市盈凯隆科技有限公司（百度地图API自定义地图）关于LED知识方面的分享
原文链接：https://blog.csdn.net/Mr_Chen_Z/article/details/120716277