的分类及发光机理

第1章　LED灯珠的结构、LED的分类及发光机理

本章主要介绍LED灯珠的结构、LED的分类及LED核心部分即芯片的发光机理。由引言部分的介绍可知，LED的应用领域十分广泛，LED及其产品的结构和特性也呈现各异的形态，而且形形色色的LED产品，都可看成是由一个一个能发光的基本小单元组合而成的，这一基本单元就是LED灯珠。不同的LED产品由特性不同的灯珠按照不同的排列方式组合而成。要全面了解LED技术，首先要了解LED灯珠的结构和特性，了解根据灯珠的类型及组合方式不同可以构成哪些类型的LED产品。此外，对于试图了解LED光学、电学及热学特性并通过分析、设计提高LED产品性能的技术人员而言，了解LED的核心部分即芯片的发光机理也是十分必要的。

1．1　LED灯珠的结构

对外部电路而言，一个LED灯珠实质上就是一个带有正电极和负电极的小灯泡，按正确的极性通上低压直流电就能发光。以直插式LED灯珠为例，其外观如图1．1所示。

图1．1　直插式LED灯珠外观示意图

在内部结构上，不同类型的灯珠其结构会有所差异，以适应不同应用场合的要求。但就其结构的共性而言，一个完整的LED灯珠通常由晶片（芯片）、支架、金线、导电银胶、环氧树脂等几部分构成。仍以直插式灯珠为例，其内部结构如图1．2所示。

LED灯珠中各部分的作用分别介绍如下。

1．晶片

LED晶片又称LED芯片，是LED灯珠的核心部分，由磷化镓（GaP），镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）与氮化镓（GaN）等材质组成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性，是LED的发光部分。芯片的发光颜色取决于其材料，常见单色可见光芯片发出的光的颜色和波长为：暗红色（700nm）、深红色（640～660nm）、橘红色（615～635nm）、琥珀色（600～610nm）、黄色（580～595nm）、黄绿色（565～575nm）、纯绿色（500～540nm）、蓝色（435～490nm）、紫色（380～430nm）。白光和粉红光是一种光的混合效果，最常见的是由蓝光＋黄色荧光粉和蓝光＋红色荧光粉混合而成。

图1．2　直插式LED灯珠内部结构示意图

2．支架

LED支架的主要作用是固定晶片，同时可作为LED灯珠引向外部的正、负电极，在某些场合中，可以起到反光杯的作用。

支架的结构：是在铁质的底材上，依次镀上铜膜（导电性好，散热快）、镍膜（防氧化）和银膜（反光性好，易焊线）而成。LED支架根据其类型不同，可分为直插式支架、贴片式支架、食人鱼支架等；根据其型号不同，可以分为2号、3号、4号、6号、9号等。

3．金线

金线是用来连接LED晶片电极和外部支架的引线，由纯金制成，利用其含金量高、材质较软、易变形且导电性好、散热性好的特性，让晶片与支架间形成一闭合电路。

LED灯珠中所用到的金线规格有φ1．0mil、φ1．2mil，LED所用金线材质的含金量一般为99．9%。

4．导电银胶或绝缘胶

导电银胶是LED生产封装中不可或缺的一种胶水，要求是导电、导热性能好，剪切强度大，并且黏结力强。绝缘胶要求绝缘，导热性好，剪切强度大，并且黏结力强。

银胶有H20E、826－1DS、84－1A等不同的型号，其构成成分包括银粉（导电，散热，固定晶片）、环氧树脂（固化银粉）、稀释剂（易于搅拌）等。

LED灯珠中通常也使用绝缘胶，也称为白胶，颜色为乳白色，起绝缘黏合作用。

5．环氧树脂（胶体）

环氧树脂的作用是保护LED内部结构，使LED成形，同时使LED光线形成一定角度，可稍微改变LED的发光颜色、亮度及角度。

LED灯珠中的环氧树脂通常由A胶、B胶两组分按等质量比例（1∶1）混合而成，其中A胶为主剂，由环氧树脂、消泡剂、耐热剂、稀释剂构成，B剂为固化剂，由酸酐、离模剂、促进剂组成。

不同灯珠的内部结构，即各部分的形状、大小等会有所不同，有的灯珠如白光LED灯珠还要在其中加入荧光胶等。

1．2　LED的分类

LED的分类是一个综合性的问题，根据所考虑问题的不同，可从不同角度对LED进行分类。一般而言，可从产品应用、灯珠性能及封装方式等三个不同的角度对LED进行分类。

1．2．1　根据LED产品应用场合分类

根据LED产品应用场合的不同，LED分为以下五大类。

1．信息显示

其主要用于电子仪器、设备、家用电器等的信息显示、数码显示和各种显示器，以及LED显示屏（信息显示、广告、记分牌等）。

2．交通信号灯

其主要用于城市交通、高速公路、铁路、机场、航海和江河航运用的信号灯等。

3．汽车用灯

其主要用于汽车内外灯、转向灯、刹车灯、雾灯、前照灯、车内仪表显示及照明等。

4．LED背光源

小尺寸背光源：小于10in，主要用于手机、MP3、MP4、PDA、数码相机、摄像机和健身器材等；中等尺寸背光源：10～20in，主要用于便携式计算机、计算机显示器和各种监视器；大尺寸背光源：大于20in，主要用于彩色电视的LCD显示屏。

5．LED照明

根据不同场合的照明，LED照明又可进一步分为以下六类。

（1）室外景观照明，如护栏灯、投射灯、LED灯带、LED异型灯、数码灯管、地埋灯、草坪灯、水底灯等。

（2）室内装饰照明，如壁灯、吊灯、嵌入式灯、射灯、墙角灯、平面发光板、格栅灯、日光灯、筒灯、变幻灯等。

（3）专用照明，如便携式照明（手电筒、头灯）、低照度灯（廊灯、门牌灯、庭用灯）、阅读灯、显微镜灯、投影灯、照相机闪光灯、台灯、路灯等。

（4）安全照明，如矿灯、防爆灯、应急灯、安全指示灯等。

（5）特种照明，如军用照明灯、医用无热辐射照明灯、治疗灯、杀菌灯、农作物及花卉专用照明灯、生物专用灯、与太阳能光伏电池结合的专用LED灯等。

（6）普通照明，如办公室、商店、酒店、家庭用的普通照明灯等。虽然LED照明目前尚未正式进入该领域，但随着LED技术的不断进步和成本的不断下降，预计近几年内将会逐步进入普通照明领域。

1．2．2　根据LED灯珠性能分类

根据LED灯珠性能的不同，LED可以从LED灯珠芯片发光颜色、LED灯珠出光面特征、LED灯珠的内部结构，以及发光强度和工作电流等四个方面进行分类。这一分类主要体现了芯片性能的不同。

1．按LED灯珠芯片发光颜色分

按发光管发光颜色分，LED可分为红色、橙色、绿色（又可以细分为黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的LED发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处是否掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分为有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管适合做指示灯用。

2．按LED灯珠出光面特征分

（1）按发光管出光面特征LED可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

（2）圆形灯按直径LED可分为φ2mm、φ4．4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20 mm等。

（3）按发光强度角分布图LED又可分为以下三小类。

①高指向型。一般为尖头环氧封装，或者为带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，其具有很高的指向性，可用于局部照明光源，或者与光检出器联用以组成自动检测系统。

②标准型。通常用于指示灯，其半值角为20°～45°。

③散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

3．按LED灯珠的内部结构分

按发光二极管的结构可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

4．按发光强度和工作电流分

按发光强度和工作电流LED可分为普通亮度的LED（发光强度小于10mcd）和发光强度在10～100mcd范围内的高亮度LED发光二极管。一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管的相同）。

1．2．3　根据LED灯珠的封装方式分类

由于LED灯珠是基本的功能单元，而不同灯珠的区别主要体现在其封装中使用的支架，因此，这种分类方法是LED产品分类中最重要的一种。

按照灯珠封装方式的不同，LED可分为以下几种类型。

1．直插式LED

这是LED最早出现的一种结构形态，到现在仍在生产和应用。由于直插式LED的外观与一个小灯泡类似，故又称为灯式LED（LAMP　LED）、插件LED。

直插式LED根据其胶体的形状、颜色及LED发光的颜色还可以细分为以下几小类。

（1）按胶体形状可分为3mm、5mm、12mm、方形、椭圆形、特殊形状等。

（2）按胶体颜色可分为无色透明、有色透明、无色散射、有色散射等。

（3）按发光颜色可分为红色、黄色、蓝色、白色、紫外、红外等。

2．食人鱼LED

食人鱼LED（Flux　LED），是一种使用正方形、透明树脂封装的，有4个引脚，负极处有个缺脚的LED。

食人鱼是散光型的LED，发光角度大于120°，发光强度很高。美国通常称食人鱼LED 为EAGLE－EYE　LED（鹰眼LED）。据说，这种LED刚刚诞生的时候立刻引起了大家的关注，由于其发展趋势像食人鱼一样凶猛，所以由此得名。另外一种说法是因为它的形状很像亚马逊河中的食人鱼。

食人鱼LED在封装结构上可归入直插式LED的范畴，在功率上属于小功率LED的范畴。其外观如图1．3所示。

图1．3　食人鱼LED

食人鱼LED有4只脚，不但比一般的直插式5mm　LED多2只脚，而且4只脚让发光部分和电路板焊接地方留有一定间距，4只脚的设计和之间的间距是为了让食人鱼LED的散热比一般LED的好。其通过的工作电流大：最大电流可达50mA，一般LED的电流可达20 mA，所以其亮度比一般LED的要高。因为食人鱼LED的两个电极连在4个支脚上，所以2个支脚连通一个电极。在安装时要确认哪2个支脚是正极，哪2个支脚是负极。其主要缺点是体积要比普通的5mm　LED的大，角度在90°～120°之间，无其他角度，制作全彩的RGB混光的效果没有5mm　LED好。

相比φ5mm的LED，食人鱼LED散热好、视角大、光衰小、寿命长，因此非常适合制成线条灯、背光源的灯箱和大字体槽中的光源。

食人鱼LED可用于汽车的刹车灯、转向灯、倒车灯。因为食人鱼LED有散热方面的优势，所以可承受70～80mA的电流。在行驶的汽车上，往往蓄电瓶的电压波动较大，特别在使用刹车灯的时候，电流会突然增大，但是这种情况对食人鱼LED没有太大的影响，因此其广泛应用于汽车照明中。

3．SMD式LED

SMD（Surface　Mount　Device）式LED即表面贴装式LED，又称贴片式LED，这是小功率LED中比较重要和主流的类型，其外观如图1．4所示。

图1．4　SMD式LED

贴片LED是贴于线路板表面的，适合SMT加工，可回流焊，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，它采用了更轻的PCB板和反射层材料。改进后的贴片式LED去掉了直插式LED中较重的碳钢材料引脚，使显示反射层需要填充的环氧树脂更少，目的是缩小尺寸，减轻重量。这样，表面贴装式LED可轻易地将产品重量减少一半，最终使应用更加广泛。

SMD式LED也可细分为以下几类。

（1）按形状大小来分，一般来说，SMD式LED都是菱形的，所以其命名方法根据长×宽的尺寸来命名，通常以英寸为单位，如0603（6in×3in）、1210（6in×3in）、5060（6in×3in）等。也可以毫米为单位命名，如1608（1．6mm×0．8mm）等。

（2）根据发光颜色和胶体种类来分类，其与直插式LED产品类似，只是产品的形状发生了很大的变化。

（3）大功率LED。大功率LED（Power　LED）也称为功率型LED，主要用于各种场合的照明，其外观如图1．5所示。

功率型LED可分为以下几类。

（1）按功率的大小可分为1W、3W、5W等。

（2）按顶部发光透镜可分为平头、聚光、酒杯形状等。

4．集成封装的LED

以上几种LED均是将单个芯片封装成一个灯珠的形式。近年来，将多个LED芯片封装成一个发光模块的方式逐渐得到广泛应用，这种封装形式称为集成封装的LED，其外观如图1．6所示。

图1．5　大功率LED

图1．6　集成封装LED

5．LED数码管

LED数码管（Display）外观如图1．7所示。LED数码管最早用于仪器面板或家用电器数码显示等场合，也可用于组成LED显示屏。LED数码管又称为平面封装式的LED。

LED数码管可以分为以下几类。

（1）按外形可分为1位、2位、3位、4位等。

（2）按表面颜色可分为灰面黑胶、黑面白胶等。

（3）按极性结构可分为共阴、共阳等。

图1．7　LED数码管

6．LED点阵

LED点阵（LED　Dot　Matrix）从功能上可以看成是LED数码管的替代产品。LED点阵主要应用于信息显示等场合，其外观如图1．8所示。

根据其间距和孔的直径的不同，LED点阵可进一步细分为以下几类。

（1）按颜色可分为单红、单绿、双基色、三基色等。

（2）按孔的直径可分为φ2．0、φ3．0、φ3．75、φ5．0等。

（3）按点数可分为5×7、8×8、16×16等。

除以上介绍的类型外，LED及其系列还有一些其他产品，如像素管（Cluster）、测光源（LED　Side　Light　Source）、红外线接收和发射产品（Infrared　＆PhotoDiode）等。

图1．8　LED点阵

1．3　LED的发光机理

从用户的角度看，LED就是一个使用直流电源驱动的小灯泡。但是，作为LED相关行业的技术工作者，仅仅知道这一点显然是不够的。本节主要站在技术研发和设计者的立场来介绍，首先比较LED与其他各种常用光源特性的异同，然后详细分析各类型光源的发光机理，最后解释LED发光物理机理的特殊性。

1．3．1　光源的分类与特性

众所周知，光在传播过程中，本质上可以看成是一种电磁波。电磁波的波长范围极广，可见光在其中只占很窄的一段：可见光波长范围为380～760nm，不同波长的可见光会给人眼以不同的颜色感受，如图1．9所示。

图1．9　电磁波谱

能够产生光的物体或仪器称为光源。LED是光源的一种，以下先介绍光源的种类和特点。各种光源的分类如图1．9所示。

由图1．10中可以看出，可见光源分为三大类，分别为热致发光光源、气体放电光源和固体照明光源，其工作原理和特性如下。

1．热致发光光源

热致发光光源是根据热辐射原理制成的光源，其典型代表是白炽灯，即通常所说的电灯泡。白炽灯是靠电能将灯丝加热至高温（白炽）而发光的，故得名。

图1．10　光源的分类

白炽灯的发光体是使用金属钨拉制的灯丝，这种材料的特点是其熔点很高，在高温下仍保持固态。一只照亮的白炽灯的灯丝温度高达3000℃。炽热的灯丝产生光辐射，使电灯发出明亮的光芒。在高温下，因为一些钨原子会蒸发成气体，并沉积在灯泡的玻璃表面上，使灯泡变黑，所以白炽灯的外形都较大，这是为了使沉积下来的钨原子能在一个比较大的表面上弥散开。否则，灯泡就会在很短的时间内被熏黑。

由于灯丝在不断地被气化，所以会逐渐变细，直至最后断开，这时灯泡的寿命就结束了，灯泡的寿命一般为1000h。

气体放电光源一直是照明光源的主流，其典型代表是日光灯和节能灯，两者均属于气体放电光源中的荧光灯范畴。利用气体放电发光原理制成的光源称为气体放电光源，以荧光灯为例，气体放电光源的工作原理为：荧光灯灯管内充有一种低气压汞蒸气，管内的汞蒸气在电场作用下电离发射出紫外线，涂在灯管内表面的荧光粉将紫外线转换成可见光输出。不同的荧光粉决定不同的色温和显色性。镇流器为灯提供合适的工作电流。大部分灯内发光的基本过程是三级式的：自由电子被外电场加速；当运动的电子与气体原子碰撞时，电子的动能就转交给原子使其被激发；当受激原子返回基态时，吸收的能量以辐射的形式释放出来。由于自由电子不断被外电场加速，所以三级式的过程就不断地在灯中进行。

固体照明光源主要包括无机EL（电致发光器件）和LED。EL由多种形态如粉末、单晶、薄膜的无机材料制成，是一种在电场的激励下使材料发光的方式，激发的方式包含交流激励和直流激励。

1．3．2　各类光源发光机理的比较

光源的发光机理可分为电致发光、光致发光、化学发光和生物发光等，以上所述的各种光源，均属于电光源之列，但尽管如此，其发光机理还是有较大区别的。以下对热致发光光源、气体放电光源和固体照明光源这三大类光源的发光机理进行分析。

1．热致发光光源

从应用的角度来看，电光源的发光方式通常可分为两类，即热光和冷光。热致发光光源的发光机理显然属于热光的范畴。热光又称为热辐射，是指物质在高温下发出的光，在热辐射的过程中，其内部的能量并不改变，通过加热使辐射进行下去，低温时辐射红外光，高温时变成白光，更高温度时辐射的光呈蓝色。因此，热致发光光源发光机理的本质就是一种平衡态的热辐射。任何0K（开式温标0度，即绝对零度）以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且波长的分布主要取决于物体的温度。物体的温度不高时，辐射的波长大多在红外区，人眼看不见。物体的温度达到500℃以上时，辐射的可见部分就强，如烧红了的铁、电灯泡中的灯丝等。

物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还含透射一部分能量）出来。被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。不同的物体具有不同的吸收比。

假设物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。黑体的热辐射特性是热致发光光源辐射特性的理想近似。图1．11所示的是不同温度下黑体热辐射特性曲线，横坐标代表辐射的电磁波频率，纵坐标代表该频率处的辐射出射度（可理解为辐射功率）。

由图1．11可知，不同温度下的黑体辐射特性对应不同的曲线，每一条曲线都有一个最大值，黑体辐射的辐射出射度会随着绝对温度的升高而迅速增大，并且曲线的极大值会逐渐向短波方向移动。1879年，斯忒藩（J．Stefan）从实验中观察到黑体的辐射出射度与绝对温度T的四次方成正比。

一般的物体，由于其吸收比不为1，其辐射特性与黑体的相比有差别，但总的规律相似。图1．12所示的是太阳和白炽灯中使用的钨丝的热辐射特性曲线，由图中可知，其基本规律是不变的。

图1．11　黑体热辐射特性曲线

图1．12　太阳和钨丝的热辐射特性曲线

以上是热致发光光源的发光机理，归纳起来，热致发光光源与温度密切相关。以上分析表明，要使热致发光光源发出可见光，一般需要比较高的温度。

热致发光光源的发光机理是一种平衡态的热辐射，从物质微观结构和机理的角度来看，可以使用经典电磁理论的观点，把这一情况粗略地看成是一种原子中的电子在同一能级的平衡位置附近振荡的过程。在振荡过程中，由于电子有规律的往复运动，造成周围电场有规律的变化，进而向外界辐射电磁波。物体不同的温度导致电子振荡的能量和频率的不同，因而辐射的电磁波的能量和频率也不同，这可以比较好地解释热致发光光源发光的特性。但在温度较高时，这种解释和平衡热辐射实验曲线的差别较大，这是因为此时的振动频率较高，经典电磁理论的误差较大，需要使用量子理论来解释。

根据以上分析可对热致发光光源的发光特性进行进一步的估算、分析和设计。

2．气体放电光源

一定条件下，物体的对外辐射除了平衡热辐射之外，还有一种状态称为“发光”。发光是叠加在热辐射之上的一种光发射。发光材料能够发出明亮的光，例如日光灯内荧光粉的发光，而它的温度却比室温高不了多少，因此，这种发光有时也称为“冷光”。热辐射是一种平衡辐射，它基本上只与温度有关，而与物质的种类无关。发光则是一种非平衡辐射，反映发光物质的特征。

冷光是某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定的，所以该电子通常以光的形式将能量释放出来，再回到基态。由于这种发光过程不伴随物体的加热，所以将这种形式的光称为冷光。按物质的种类与激发的方式不同，冷光可分为各种生物发光、化学发光、光致发光、阴极射线发光、场致发光、电致发光等。萤火虫、荧光粉、日光灯、EL（电致发光）发光等均是一些典型的冷光光源。

发光机理与平衡态的热辐射有着本质的不同，它是光和物质相互作用的一种形态和结果。从这个意义上说，在平衡态的热辐射情形中，发光（这里指发出平衡态的热辐射）物质和它发出的光之间可以认为是没有相互作用的。

微观世界的最初模型为卢瑟福将行星模型照搬于原子世界而获得，虽然受库仑力支配，但电子带－e电荷，轨道加速运动会向外辐射电磁能，这样电子将会在10－9　s内落入核内，使正负电荷中和，原子宣告崩溃（塌缩）。但现实世界原子是稳定的。

图1．13　氢原子能级简图

原子结构及其稳定性是令人感到困惑的一大难题。为了解决这一难题，波尔提出了基于能级的原子模型：在原子内部，原子核和电子的位置与运动关系之间存在一系列离散的稳定状态——定态。电子的能量不能连续取值而只能取一系列分立的值，称为原子的能级。氢原子能级简图如图1．13所示。电子在这些定态的能级上运动时能量守恒，不会向外辐射能量，这称为波尔的定态假设。量子化能级的出现是原子稳定性的基石，因为能级之间是禁区。

一定条件下，原子内部状态可以发生变化，原子可以从一个定态跃迁到另一个定态，即电子可以从一个能级跃迁到另一个能级。电子在能级之间的跃迁将伴随着光的吸收和发射，这是光和物质的相互作用的一种典型的情形。在分析光和物质的相互作用时，应当使用爱因斯坦的光子学说来描述其特性：光在传播过程中具有波动的特性，然而在发射与吸收的过程中却具有类似粒子的性质。光本身只能一份份发射，物体吸收光也只能一份份吸收，即发射或吸收的能量都为光的某一最小能量的整数倍。最小的一份能量称为光能量子，简称光子。在光和物质的相互作用中，被发射或吸收的光子的能量就等于跃迁前后能级的能量差，即，

光与物质的相互作用可分为自发辐射、受激辐射和受激吸收三种类型。

自发辐射处于高能级的原子没有受到外来光子影响而自发地跃迁到低能级，从而发出一个光子的过程，如图1．14所示。在自发辐射时，由于每一个原子的跃迁都是自发地、独立地进行，它们彼此毫无关联，因此，发射出来的光子，无论是发射方向还是初相和偏振状态都可以各不相同。又因为跃迁可以在各个不同能级间发生，所以光子可以具有不同的频率。

图1．14　自发辐射

对气体放电光源而言，由于气体原子之间的相互影响极小，所以总体而言可视为独立的，而气体放电光源的发光机理就是上述原子自发辐射的结果。

受激辐射是在外来光子的激励下，高能级的原子向低能级的原子跃迁，并发出另一个同频率的光子的过程。受激辐射出来的光子与引起这种辐射的原来的光子性质、状态完全相同，即具有相同的发射方向、频率、相位和偏振态。因此，受激辐射发出的光是相干的，受激辐射是产生激光的前提。

原子吸收一定频率的光子的能量而从低能态跃迁到高能态的过程称为受激吸收。

无论是自发辐射发出普通光还是受激辐射发出激光的情形，从总体上当辐射大于吸收时，就会表现出发光。

3．固体照明光源（LED）

LED是目前最主要的固体照明光源，下面简述LED的发光机理。

本质上，LED是一种能够将电能直接转化为光能的半导体，它的发光机理是电致发光。这种发光不存在像白炽灯那样先将电能转变成热能，继而使物体温度升高而发光的现象，所以将这种光归于冷光。LED通常有两种电致发光现象，EL显示屏是利用固体在电场的作用下所产生的发光现象而制成的光源，其荧光材料在电场的作用下，导带中的电子被加速后产生足够高的能量而撞击发光中心，使发光中心激发或电离，激活的发光中心回到基态或与电子复合而发光，荧光材料（ZnS）中不同的激活剂决定了其发光的颜色。

虽然LED发光属于冷光的范畴，且其发光本质也可以使用能级跃迁来解释，但由于其结构是半导体，所以，相比气体放电发光机理，LED发光机理存在较大差别。要理解LED的发光机理，首先要了解半导体的结构特性。

1）晶体中的能带

半导体属于晶体，根据其纯度，半导体可分为本征半导体和杂质半导体。理想的本征半导体，原子严格按照周期性排列，晶体具有完整的晶格，晶体中无杂质、无缺陷。电子在周期场中作共有化运动时，会形成允带和禁带——电子能量只能处于允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子。

相比气体原子，晶体原子之间排列紧密，由于晶体原子之间的相互作用，能级会发生分裂，形成能带，如图1．15所示。

图1．15　晶体原子中能级分裂成为能带示意图

由图1．15可知，气体原子中的能级是完全离散的，而在晶体中分裂展宽成在某些能量处可以连续分布的能带，但是依然存在能量不够分布的地方，这些电子能量不能分布的带称为能量禁止存在的带，简称禁带。由图1．15还可知，禁带就是能级分裂展宽后上能级的下边界和下能级的上边界之间的间距，也就是电子的能量不能达到的区域。这一变化使得固态光源的发光特性与气态光源的不同。

此外，气态光源中能级之间跃迁而发光的情形可以出现在灯具充气腔内的每一个地方，而固态光源由于是PN结发光，所以只能发生在PN结处。

2）PN结及其特性

为改变半导体的性质，器件在制作过程中有目的地掺入某些特定的化学元素原子。

V族元素在硅、锗中电离时释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或N型杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的N型半导体。

Ⅲ族元素在硅、锗中电离时接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或P型杂质。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的P型半导体。

在一块N型（或P型）半导体单晶上，使用适当的工艺方法（如合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把P型（或N型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有N型和P型的导电类型，在两者的交界面处就形成了PN结。

下面分析PN结处于无外加电场的自平衡状态时的特性。

PN结中包含两块半导体，一块为N型，一块为P型。在N型半导体中电子很多而空穴很少，在P型半导体中空穴很多而电子很少。图1．16所示的是N型和P型半导体的简化能带图。

当这两块半导体结合形成PN结时，由于它们之间存在载流子浓度梯度，所以导致空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。对P区，在空穴离开后，留下不可动的带负电的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在PN结附近P区一侧出现了一个负电荷区。同理，在PN结附近N区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常就把在PN结附近的这些电离施主和电离受主所带的电荷称为空间电荷。空间电荷所存在的区域称为空间电荷区，如图1．17所示。

图1．16　N型和P型半导体的能带图

图1．17　PN结的空间电荷区

空间电荷区中的这些电荷产生从N区指向P区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。在内建电场的作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。因此，内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。

随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区也逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动也逐渐加强。在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，即从N区向P区扩散过去多少个电子，同时就有同样多个电子在内建电场作用下返回N区。因此，电子的扩散电流和漂移电流大小相等、方向相反而互相抵消。对于空穴，情况相似，因此没有电流流过PN结，或者说流过PN结的净电流为零。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区不再继续扩展，保持一定的宽度，且其中存在一定的内建电场。一般称这种情况为热平衡状态下的PN结（简称为平衡PN结）。

图1．18　平衡PN结的能带图

平衡PN结的情况可以用图1．18所示的能带图表示。当两块半导体结合形成PN结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区，因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至EFn＝EFp时为止。这时PN结中有统一的费米能级EF，PN结处于平衡状态。

由图1．18可知，在PN结的空间电荷区中，能带发生弯曲，这是空间电荷区中电势变化的结果。因为能带弯曲，所以，当电子从势能低的N区向势能高的P区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能到达P区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从P区到达N区。这一势能“高坡”通常称为PN结的势垒，因此空间电荷区也叫势垒区。

平衡PN结的空间电荷区两端间的电势差VD称为PN结的接触电势差或内建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量qVD称为PN结的势垒高度。由图1．18可知，势垒高度正好补偿了N区和P区费米能级之差，使平衡PN结的费米能级处处相等，因此有

式（1－2）表明，VD与PN结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。

平衡PN结中，存在具有一定宽度和势垒高度的势垒区，其中相应地出现了内建电场；每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消，没有净电流通过PN结；相应地，在PN结中费米能级处处相等。

3）PN结电流电压特性

当PN结两端有外加电压时，PN结将会处于非平衡状态。

当PN结加正向偏压（即P区接电源正极，N区接电源负极）时，因为势垒区内的N区和P区中的载流子浓度很小、电阻很大，势垒区外的N区和P区中的载流子浓度很大、电阻很小，所以外加正向偏压基本上降落在势垒区。正向偏压在势垒区产生与内建电场方向相反的电场，因而减弱了势垒区中的电场强度，这就表明，空间电荷相应减少。所以势垒区的宽度也减小，同时势垒高度下降在外加电压较低时，正向电很小，几乎为零，且随着电压的增加，正向电流慢慢增大。当电压大于某一个值时（该电压值称为导通电压），电流有明显的增加。当电压大于某一值时，外电场超过了势垒区中的电场强度，此时PN结不存在势垒区，较多的电子在外电场的作用下从N区流入P区（空穴从P区流入N区），形成较大的电流，这种由于外加正向偏压的作用使非平衡载流子进入半导体的过程称为非平衡载流子的电注入。当PN结加上反向偏压V时，反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致，势垒区的电场增强，势垒区也变宽，势垒区的增强，PN结的电流很微小并且趋于不变。

LED是一种固态的半导体器件，LED的核心部分是一个半导体的晶片（芯片），晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成：一部分是P型半导体，其中空穴占主导地位；另一部分是N型半导体，其中主要是电子。当这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“PN结”。

具有PN结结构的LED的伏安特性与普通二极管相似，当正向偏压小于导通电压时，克服不了PN结附近因浓度梯度而扩散形成的势垒电场。此时，PN结仍呈现较大电阻值，正向电流很小。LED导通电压随不同材料而异，GaAs的LED为1．0V，GaP的为2．2V左右。外加正向偏压超过导通电压时，足以克服PN结空间电荷区的势垒电场，致使正向电流迅速增大，从而使从N区注入的电子与从P区注入的空穴在结区附近复合。电子跟空穴复核后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的机理。因此，LED发光实质上是芯片发光，更加具体一点，就是PN结发光。以上分析的LED发光机理可用图1．19表示。

电子空穴对复合发光的发光波长取决于电子－空穴对的能量差，这个能量差就是处于价带与导带的能量差，即半导体材料（单质）的禁带宽度Eg。LED的发光波长为

其中禁带宽度Eg的单位是电子伏（eV），发光波长的单位为纳米（nm）。因此，由于半导体晶体禁带宽度的不同，就发出从紫外到红外不同颜色的光线。LED中的半导体材料禁带宽度越大，所发出的光越具有较短的波长，反之具有较长的波长。如果PN结加反向电压，则电场的方向变为阻止少数载流子的注入，即电子会被电场“拉回”N区，故少数载流子难以注入，PN结处于截止状态，故不发光。

图1．19　LED芯片中的PN结发光机理

1．4　新光源OLED与QLED

1．4．1　OLED

当LED技术迅猛发展的时候，另一种固体光源——OLED（见图1．20）正逐步进入人们的视野。无论从器件特性还是应用的角度看，OLED均可看成是EL显示屏和LED在某种意义上的结合体。这种新兴的光源具备其自身的特色，下面对其作一个简单的介绍。

图1．20　OLED外观及发光示意图

1．OLED工作原理

OLED（Organic　Light　Emitting　Diode）是指有机半导体材料和发光材料在电场的驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的正极和负极，在一定的电压驱动下，电子和空穴分别从负极和正极注入电子和空穴传输层，再分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，在发光层中相遇形成激子并激发发光分子，发光分子经过辐射发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起到了反射层的作用。

要实现用于照明的白光OLED，主要有以下两种方法。

（1）波长转换法。它是用发蓝光的OLEDs激发黄色、橙色、红色荧光或磷光粉来实现白光的方法。

（2）颜色混合法。它是用蓝光和橙光两种补偿光或红、绿、蓝三基色光通过掺杂或多层的方式来实现白光。

2．照明OLED技术参数

照明OLED的技术参数指标如下。

（1）OLED的理论光效可达200lm／W。

（2）OLED在照明应用上的产业目标为1000cd／m2，效率可达50～80lm／W。

（3）用于照明的白光OLED产品光效可达60lm／W甚至以上，显色指数约为80。

3．OLED实现工艺

发光层有机半导体是构成OLED元件的核心材料。该有机半导体层的形成方法大致可分为蒸镀法和印刷法，现在主要采用的是蒸镀法。

虽然蒸镀法技术在不断改进，但近年来印刷法备受关注。因为印刷法有望进一步增大OLED的尺寸，降低成本。一般是在发光层使用高分子类材料来实现印刷法的制作。过去多使用旋涂法，目前，已开始讨论狭缝涂布法、喷雾法、喷墨法、凹印法、转录法等能够高效印刷的方法。其中，狭缝涂布法发展最快，目前，已经开发出了涂布速度为100mm／s、膜厚为（50 ±2．5）nm精度的装置。

4．OLED照明应用

在天花板及墙壁上安装大面积的OLED光源，可让整面天花板及墙面发出柔和的亮光，而不是像灯泡、荧光灯那样只是局部照明。

此外，可配合灯具机构的设计，制作出垂吊式的照明灯具，呈现出可调整角度的照明装置。也可利用OLED轻、薄的特性，设计出片状的照明灯具，以呈现不同情境的照明感觉。

5．OLED与LED照明的对比

OLED与LED同属固态照明，具有发热量低、耗电量小、反应速度快、体积小、耐震耐冲击、易开发成轻薄短小产品等优点。

与LED照明相比，OLED照明最明显的优势是面光源，它比LED点光源在不同的应用上更有良好的发光效率。OLED具有采用直流低电压的驱动方式，可产生高亮度的照明，也不包含水银这些有毒物质，因此，被视为是新时代的优秀光源。

OLED照明除了取代现有的小灯泡的照明灯源之外，也可以取代目前正在成长的LED灯源的应用市场。

OLED与LED的性能比较如图1．21所示。

1．4．2　QLED简介

2002年，美国麻省理工大学发明了一种新型的发光器件——量子点发光器件，它能产生和发出任意波长可见光，即可发出各种颜色的光。量子点发光器件的外观如图1．22所示。

量子点发光器件的英文简称为QLED（Quantum Light-Emitting Device）或QD-OLED（Quantum Dot-Organic Light-Emitting Device），其发光二极管也简称为LED（Light-Emit-ting Diode）。但是，同为LED，两者中的D却有着二极管（Diode）与器件（Device）的根本区别，其发光机理与现在的LED及OLED是完全不同的，LED及OLED是基于空穴和电子复合发光的半导体原理，而QLED是建立在纳米粒子离子阱受激发光的原理上的，但QLED与LED及OLED均属固态光源。

图1．21　OLED和LED性能比较

图1．22　QLED外观及发光效果图

量子点（Quantum Dot）是准零维（Quasi Zero Dimensional）的纳米材料，由少量原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在10nm以下，是一种肉眼看不见的纳米颗粒，外观恰似一极小的点状物。量子点又称为纳米晶，由锌、镉、硒和硫原子组合而成，由于电子和空穴被量子限域，受激后可以发射荧光，所以波长与纳米粒子大小有关。因此，在收到外来能量激发后，不同尺寸的量子点将发出不同波长的荧光，也就是不同光色的光，并具有光色纯度高（发光光谱半高宽窄）、发光颜色纯正的优势。目前，由无机半导体材料制成的单只常规LED，只能发出一种光谱的波长，也就是一种颜色的光，这很大程度上限制了LED的应用或增加了实施的复杂性。

量子点LED发光层由半导体量子点胶体溶液旋涂制成，因此，相对于LED，其具有制备过程简单、成本低、可制成柔性器件等优点。

在技术上，量子发光材料要求采用特殊的激光设备和工艺来制备纳米发光材料粒子。目前，取代有毒的镉元素以及精确控制光谱辐射波长的难点已基本得到解决。

量子点以无机量子点作为发光层的复合性材料，不但具有小分子和高分子材料所具有的特性，相对于目前的LED，还具有全新的制造工艺，可降低严格封装的要求。由于量子点是由无机材料所构成，所以它们在水气或氧气中，比同类有机半导体更为稳定。此外，还能局限量子发光性质，并释放出较小频宽的色光，不易发生光谱漂移，呈现出更佳的饱和光色或纯色，因为纳米晶体的直径控制了量子点的光学能隙，使得发光光色特性的判定及最佳化程序变得更简化。