1、概述

ＬＥＤ利用固體半導體芯片作為發光材料，當兩端加上正向電壓時，半導體中的載流子發生復合，釋放出過剩的能量引起光子發射而產生可見光。近年來，ＬＥＤ得到了快速發展，部分產品已進入了商用階段，為室內外照明光源帶來革命性變化。

２０世紀６０年代初，人們就已經掌握了半導體材料可以產生光線的方法：加正向偏壓的砷化鎵面結型二極管可作為輻射光源。１９６４年，利用ＧａＡｓＰ材料，研制出紅色發光二極管（λｐ＝６５０ｎ ｍ），光效為０．１ｌｍ/Ｗ，在驅動電流為２０ｍＡ時，光通量只有千分之幾流明。

到了上世紀70年代，研制出綠光（λｐ＝５５０ｎｍ）、黃光（λｐ＝５９０ｎｍ）和橙光（λｐ＝６１０ｎｍ）的ＬＥＤ，光效達到１ｌｍ/Ｗ。單色ＬＥＤ的蓬勃發展，使它在大屏幕顯示、交通信號燈、儀表儀器顯示等領域得到廣泛應用。但遺憾的是實現全色顯示的藍光還未突破。

上世紀８０年代初，研制出ＧａＡＩＡｓ的ＬＥＤ，使得紅色ＬＥＤ的光效達到１０ｌｍ/Ｗ。

１９９４年，開發出氮化鎵基藍色和綠色發光二極管，根據三基色合成原理，使全色顯示和半導體照明成為可能。對于一般照明而言，人們更需要白色光源。１９９６年，日本日亞公司率先開發出白色發光二極管，為ＬＥＤ廣泛進入照明領域帶來了無限希望，成為ＬＥＤ照明發展史上的一個里程碑。

經過近幾年的發展，彩色ＬＥＤ的光效等性能已經得到進一步的提高，使得其在裝飾照明等領域得到了廣泛的推廣和應用。

目前，白光ＬＥＤ的光效還不高，但發展很快。據相關資料介紹：１９９９年日本研制出光效達到１５ｌｍ/Ｗ的LED；２００１年美國研制出光效達到４０～５０ｌｍ/Ｗ的LED，甚至超過了白熾燈和鹵鎢燈，接近熒光燈光效。單個ＬＥＤ功率也不夠大，僅有１Ｗ多，還不能廣泛用于室內外照明，但彩光ＬＥＤ在裝飾照明領域的應用已經成熟。專家認為：白光ＬＥＤ的光效只有達到５０ｌｍ/Ｗ以上，并且提升單只白光ＬＥＤ的功率，才能真正在照明領域得到廣泛應用。目前，白光ＬＥＤ正朝著高光效、高亮度、高功率、高顯色指數的方向發展。目前，世界各國主要致力于白光ＬＥＤ的研制和開發，在不久的將來，白光ＬＥＤ的光效有望達到１００ｌｍ/Ｗ，甚至提升到２００ｌｍ/Ｗ以上，那時，ＬＥＤ將在照明光源領域占有主導地位。

2、ＬＥＤ的結構和工作原理

ＬＥＤ主要由ＰＮ結芯片、電極、光學系統及附件等組成。ＬＥＤ的發光體叫晶片，其面積為１０．１２ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝０．０２５４ｍｍ２）。

在潔凈的環氧樹脂中，封裝半導體晶片。在半導體的ＰＮ結的Ｐ型端加正電壓，空穴就會流向Ｎ型端，電子則由Ｎ型端流向Ｐ型端。當電子通過晶片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區域，空穴和電子可以直接結合，在結合的過程中，能量以光的形式釋放出光子，這就是ＬＥＤ的發光原理。另外，有些ＬＥＤ中的電子加速后在撞擊、游離化過程中也可釋放出能量而發光。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產生的光子能量就越高。傳統的發光二極管大多是利用砷化鎵（ＧａＡｓ）、磷化鎵（ＧａＰ）或它們的組合晶體（ＧａＡｓＰ）等ＩＩＩ－Ｖ族的半導體構成。

ＬＥＤ的顏色和發光效率等光學性能與半導體材料及其加工工藝有關。在Ｐ型材料和Ｎ型材料中摻入不同的雜質，就可以得到不同的單一波長的ＬＥＤ發光二極管，同時電氣性能也會有所不同。根據光學原理，白光由連續光譜組成，因此，不可能制出直接發出連續光譜的單只白光ＬＥＤ。在照明領域，應用最為廣泛的是白光，因此，白光ＬＥＤ的研制和技術進步，關系到ＬＥＤ在照明領域的應用和推廣。

單個ＬＥＤ發光二極管的光學系統包括平行發射器、偏振片、透光罩等。光學系統可以使ＬＥＤ的光束以平行光或一定的光束角發射出去。因此，改變封殼圓頂的幾何形狀，就可以改變ＬＥＤ的光束角。

白光ＬＥＤ可以由一只ＬＥＤ產生的2種或3種單色光合成，也可以由幾只單色光ＬＥＤ混裝在一起，按三基色合成原理得到白光，如表2所示。目前，商品化白光ＬＥＤ主要有三種發光方式：

（1）在４６０ｎｍ波長的ＩｎＧａＮ藍光晶粒上涂一層ＹＡＧ熒光物質，利用藍光ＬＥＤ照射此熒光物質，可以產生５５５ｎｍ波長的黃光，再利用透鏡原理把可以互補的藍光、黃光混合，就可以發射出白光。但光譜中藍色光譜較強，缺少紅色光譜，顯色指數Ｒａ才達到７０。這是目前應用最為廣泛的白光ＬＥＤ制作原理。

（2）經紫外芯片激發ＲＧＢ三基色熒光粉，其發光機理與三基色熒光燈相似。改變熒光粉的成分比例，就可以得到各種色溫的白光，顯色性較好。

（3）把ＲＧＢ三基色芯片封裝在一起，改變三者的發光強度比例，就可以得到任意色溫的白光，但產品質量不易控制。產品性能一致性較差，易受環境影響。

“圖4、圖5”表示一種白光ＬＥＤ構造和發光示意圖：把ＧａＮ芯片和釔鋁石榴石熒光粉（ＹＡＧ）封裝在一起，藍光ＬＥＤ基片安裝在碗形的反射腔中，基片上覆蓋著混有ＹＡＧ熒光粉的樹脂薄層。通電后，ＧａＮ芯片發藍光（λＰ＝４５６ｎｍ，Ｗｄ＝３０ＮＭ）。一部分藍光激發ＹＡＧ熒光粉后發出黃色光，一部分藍光與黃色光混合，就得到了白光。對于ＩｎＧａＮ/ＹＡＧ白色ＬＥＤ，通過改變ＹＡＧ熒光粉的化學組成和調節熒光粉的厚度，就能夠得到３５００～１００００Ｋ的各色白光。