發(fā)光二極管(LED)是一種半導(dǎo)體光源，當(dāng)電流流過時(shí)發(fā)光。半導(dǎo)體中的電子與電子空穴重新結(jié)合，以光子的形式釋放能量。光的顏色(對(duì)應(yīng)于光子的能量)是由電子穿過半導(dǎo)體帶隙所需要的能量決定的。白光是通過在半導(dǎo)體器件上使用多個(gè)半導(dǎo)體或一層發(fā)光熒光粉而獲得的。
1962年作為實(shí)用的電子元件出現(xiàn)，最早的led發(fā)出低強(qiáng)度紅外(IR)光。[7]紅外發(fā)光二極管用于遠(yuǎn)程控制電路，如與各種各樣的消費(fèi)電子產(chǎn)品一起使用的電路。第一批可見光led是低強(qiáng)度的，并且僅限于紅色?，F(xiàn)代的led有可見光、紫外線(UV)和紅外波長(zhǎng)，具有高光輸出。
早期的led經(jīng)常被用作指示燈，取代小型白熾燈，并用于七段顯示。最近的發(fā)展已經(jīng)生產(chǎn)出高輸出白光led，適用于室內(nèi)和室外區(qū)域照明。led已經(jīng)產(chǎn)生了新的顯示器和傳感器，而它們的高開關(guān)率在先進(jìn)的通信技術(shù)中非常有用。
與白熾燈相比，led有很多優(yōu)勢(shì)，包括更低的能耗、更長(zhǎng)的使用壽命、更好的堅(jiān)固性、更小的尺寸和更快的開關(guān)。led應(yīng)用廣泛，如航空照明，汽車大燈，廣告，一般照明，交通信號(hào)，照相機(jī)閃光燈，照明墻紙，園藝種植燈，和醫(yī)療設(shè)備
與激光不同，LED發(fā)出的光既不是光譜相干的，也不是高度單色的。然而，它的光譜足夠狹窄，人眼看起來是純(飽和)顏色。與大多數(shù)激光器不同的是，它的輻射不是空間相干的，所以它不能接近激光器的高亮度特性。
電路符號(hào)
傳統(tǒng)LED的部分。嵌在環(huán)氧樹脂中的鐵砧和柱的底部平面起到錨定作用，防止導(dǎo)線因機(jī)械應(yīng)力或振動(dòng)而被強(qiáng)力拉出。
發(fā)展史
發(fā)現(xiàn)和早期設(shè)備
1907年，英國(guó)Marconi實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)人員h.j. Round使用碳化硅晶體和貓須探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光現(xiàn)象。俄國(guó)發(fā)明家Oleg Losev在1927年報(bào)告了第一臺(tái)LED的發(fā)明。他的研究成果發(fā)表在蘇聯(lián)、德國(guó)和英國(guó)的科學(xué)期刊上，但是幾十年都沒有得到實(shí)際應(yīng)用
1936年，Georges Destriau觀察到，當(dāng)硫化鋅(ZnS)粉末懸浮在絕緣體中，并在其上施加交流電場(chǎng)時(shí)，可以產(chǎn)生電致發(fā)光。在他的著作中，德斯特里奧經(jīng)常把發(fā)光稱為洛瑟夫光。戴斯特里奧在瑪麗·居里夫人的實(shí)驗(yàn)室工作，瑪麗·居里夫人也是鐳發(fā)光研究領(lǐng)域的先驅(qū)
1939年，匈牙利佐爾坦灣公司和Gyorgy Szigeti公司為一種基于碳化硅的照明設(shè)備申請(qǐng)了專利，該照明設(shè)備可以選擇使用碳化硼，根據(jù)雜質(zhì)的存在，碳化硼會(huì)釋放出白色、黃白色或綠白色
1951年，Kurt Lehovec, Carl Accardo和Edward Jamgochian解釋了第一批led，使用的儀器使用SiC晶體，電流來源是電池或脈沖發(fā)生器，并與1953年的變體純晶體進(jìn)行了比較
美國(guó)無線電公司的Rubin Braunstein[21]在1955年報(bào)道了砷化鎵(GaAs)和其他半導(dǎo)體合金的紅外發(fā)射。[22]布勞恩斯坦觀察到使用簡(jiǎn)單的銻化鎵(GaSb)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)和硅鍺(SiGe)合金在室溫和77開爾文下產(chǎn)生的紅外輻射。
1957年，布勞恩斯坦進(jìn)一步證明了這種基本裝置可以用于短距離的非無線電通信。正如Kroemer[23] Braunstein所指出的“…已經(jīng)建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的光通信鏈路:音樂從唱機(jī)中出現(xiàn)，通過合適的電子器件來調(diào)節(jié)砷化鎵二極管的正向電流?！卑l(fā)射的光被遠(yuǎn)處的PbS二極管檢測(cè)。這個(gè)信號(hào)被輸入音頻放大器，然后由揚(yáng)聲器播放。擋住光束，音樂停止了。我們?cè)谶@個(gè)設(shè)置上玩得很開心?！边@種設(shè)置預(yù)示著led在光通信應(yīng)用中的使用。
德克薩斯州儀器SNX-100砷化鎵LED包含在一個(gè)TO-18晶體管金屬外殼
1961年9月，當(dāng)James R. Biard和Gary Pittman在德克薩斯州達(dá)拉斯的德州儀器公司工作時(shí)，他們?cè)贕aAs襯底上建造了一個(gè)隧道二極管，發(fā)現(xiàn)了近紅外(900納米)光發(fā)射。到1961年10月，他們已經(jīng)證明了GaAs p-n結(jié)光發(fā)射器和電隔離半導(dǎo)體光電探測(cè)器之間有效的光發(fā)射和信號(hào)耦合。1962年8月8日，Biard和Pittman根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)了一項(xiàng)名為“半導(dǎo)體輻射二極管”的專利，該專利描述了一種鋅擴(kuò)散的p-n結(jié)LED，具有間隔陰極接觸，允許在正向偏壓下有效發(fā)射紅外光。后建立基于工程工作的優(yōu)先級(jí)筆記本比從通用電氣公司提交實(shí)驗(yàn)室,RCA研究實(shí)驗(yàn)室,IBM研究實(shí)驗(yàn)室,貝爾實(shí)驗(yàn)室,麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室,美國(guó)專利局發(fā)出的兩個(gè)發(fā)明專利砷化鎵紅外發(fā)光二極管(美國(guó)專利US3293513),第一個(gè)實(shí)用的領(lǐng)導(dǎo)。在申請(qǐng)專利后，德州儀器(TI)立即開始了一個(gè)生產(chǎn)紅外二極管的項(xiàng)目。1962年10月，TI宣布了第一個(gè)商業(yè)化的LED產(chǎn)品(SNX-100)，它使用了純砷化鎵晶體發(fā)射出890納米的光輸出。1963年10月，TI宣布制造出第一個(gè)商用的半球形LED——SNX-110
1962年，Nick Holonyak Jr.在通用電氣工作時(shí)發(fā)明了第一個(gè)可見光譜(紅色)LED。Holonyak在1962年12月1日的《應(yīng)用物理快報(bào)》上首次報(bào)道了他的LED。M. George Craford，曾是Holonyak的研究生，在1972年發(fā)明了第一個(gè)黃色LED，并將紅色和紅橙色LED的亮度提高了10倍。1976年，T. P. Pearsall通過發(fā)明專門適用于光纖傳輸波長(zhǎng)的新型半導(dǎo)體材料，設(shè)計(jì)了第一個(gè)高亮度、高效率的光纖通信led。
最初的商業(yè)開發(fā)
第一個(gè)商業(yè)可見光區(qū)域的發(fā)光二極管是常用的替代白熾燈和霓虹燈標(biāo)志燈,七段顯示,[31]首次在實(shí)驗(yàn)室等昂貴的設(shè)備和電子測(cè)試設(shè)備,然后在計(jì)算器等電器,電視、收音機(jī)、電話、手表(見信號(hào)使用的列表)。直到1968年，可見光和紅外線led燈都非常昂貴，大約每臺(tái)200美元，所以幾乎沒有什么實(shí)際用途
惠普公司(HP)在1962年至1968年期間在惠普協(xié)會(huì)和惠普實(shí)驗(yàn)室由霍華德·波登、杰拉爾德·皮基尼和穆罕默德·阿塔拉領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)從事實(shí)際led的研發(fā)工作。在此期間，Atalla在HP、[34]啟動(dòng)了一個(gè)關(guān)于砷化鎵(GaAs)、砷化鎵磷化(GaAsP)和砷化銦(InAs)器件的材料科學(xué)研究項(xiàng)目，并與孟山都公司合作開發(fā)了第一個(gè)可用的LED產(chǎn)品。[35]第一個(gè)可用的LED產(chǎn)品是惠普的LED顯示器和孟山都的LED指示燈，都是在1968年推出的。[35]孟山都公司是第一個(gè)批量生產(chǎn)可見發(fā)光二極管的組織，1968年使用GaAsP生產(chǎn)了適用于指示燈的紅色發(fā)光二極管。之前孟山都曾向惠普提供GaAsP，但惠普決定發(fā)展自己的GaAsP。[32] 1969年2月，惠普公司推出惠普5082-7000型數(shù)字顯示器，這是第一個(gè)使用集成電路(集成LED電路)技術(shù)的LED設(shè)備。這是第一臺(tái)智能LED顯示器，是數(shù)字顯示技術(shù)的一次革命，取代了數(shù)碼管，成為后來LED顯示器的基礎(chǔ)
1969年，阿塔拉離開惠普，加入仙童半導(dǎo)體公司。從1969年5月開始到1971年11月，他一直是微波與光電子部門的副總裁和總經(jīng)理。[39]他繼續(xù)研究led，并在1971年提出可以將其用于指示燈和光學(xué)讀出器。[40]在20世紀(jì)70年代，飛兆光電公司生產(chǎn)的LED器件在商業(yè)上獲得了成功，每個(gè)LED器件的價(jià)格不到5美分。這些器件采用平面工藝制備的復(fù)合半導(dǎo)體芯片(由Jean Hoerni開發(fā)，[41][42]基于Atalla的表面鈍化[43][44])。芯片制造的平面處理和創(chuàng)新的封裝方法的結(jié)合使由光電子先驅(qū)Thomas Brandt領(lǐng)導(dǎo)的飛兆公司團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了所需的成本降低。LED生產(chǎn)商繼續(xù)使用這些方法。
TI-30科學(xué)計(jì)算器(約1978年)的LED顯示屏，它使用塑料透鏡來增加可見數(shù)字的大小。
早期的紅色led亮度僅夠作為指示燈使用，因?yàn)檩敵龅墓獠蛔阋哉樟烈粋€(gè)區(qū)域。計(jì)算器上的讀數(shù)是如此之小，以至于每個(gè)數(shù)字上都有塑料鏡片以使其清晰可見。后來，其他顏色開始廣泛使用，出現(xiàn)在器具和設(shè)備中。
早期的led被包裝在類似于晶體管的金屬外殼中，帶有玻璃窗或透鏡來釋放光線。現(xiàn)代的led指示燈被包裝在透明的模壓塑料盒子里，管狀或矩形的形狀，并經(jīng)常著色以匹配設(shè)備的顏色。紅外線裝置可以染色，以阻擋可見光。更復(fù)雜的封裝被用于大功率led的有效散熱。表面安裝的led進(jìn)一步減小了封裝尺寸。與光纖電纜一起使用的led可以配備一個(gè)光連接器。
Blue LED
1972年，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)博士生Herb Maruska和Wally Rhines制作了第一個(gè)使用鎂摻雜氮化鎵的藍(lán)紫色LED。當(dāng)時(shí)Maruska正在RCA實(shí)驗(yàn)室休假，在那里他與Jacques Pankove合作做相關(guān)的工作。1971年，Maruska去了斯坦福大學(xué)，他的RCA同事Pankove和Ed Miller演示了第一個(gè)摻雜鋅的氮化鎵發(fā)出的藍(lán)色電致發(fā)光，盡管隨后Pankove和Miller建造的設(shè)備，第一個(gè)真正的氮化鎵發(fā)光二極管，發(fā)出了綠光。1972年，美國(guó)專利局授予Maruska、Rhines和斯坦福大學(xué)教授David Stevenson一項(xiàng)專利(美國(guó)專利US3819974 a)。如今，氮化鎵的鎂摻雜仍然是所有商用藍(lán)色led和激光二極管的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)70年代早期，這些設(shè)備對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說太過暗淡，對(duì)氮化鎵設(shè)備的研究也放緩了。
1989年8月，克里公司推出了第一款商用的基于間接帶隙半導(dǎo)體碳化硅(SiC)的藍(lán)色LED。SiC led的效率非常低，不超過0.03%，但在可見光光譜中確實(shí)發(fā)出藍(lán)色的光
20世紀(jì)80年代末，GaN外延生長(zhǎng)和p型摻雜[54]的關(guān)鍵突破，開啟了GaN基光電器件的現(xiàn)代時(shí)代。在此基礎(chǔ)上，波士頓大學(xué)的Theodore Moustakas于1991年申請(qǐng)了兩步法生產(chǎn)高亮度藍(lán)色led的專利
兩年后的1993年，Nichia公司的Shuji Nakamura利用氮化鎵生長(zhǎng)工藝展示了高亮度的藍(lán)色led。與此同時(shí)，名古屋的赤崎勇(Isamu Akasaki)和天野浩(Hiroshi Amano)也在研究藍(lán)寶石襯底上重要的氮化鎵沉積和氮化鎵p型摻雜的演示。這一新的發(fā)展徹底改變了LED照明，使高功率藍(lán)光光源變得實(shí)用，導(dǎo)致了藍(lán)光等技術(shù)的發(fā)展。
中村的這項(xiàng)發(fā)明獲得了2006年千禧年科技獎(jiǎng)。中村、天野浩和赤崎勇因發(fā)明藍(lán)色LED而獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。[60] 2015年，美國(guó)法院裁定三家公司侵犯了Moustakas先前的專利，并命令他們支付不少于1300萬美元的許可費(fèi)。[61]
1995年，卡迪夫大學(xué)實(shí)驗(yàn)室(GB)的Alberto Barbieri研究了高亮度LED的效率和可靠性，并演示了一種使用氧化銦錫(ITO)的“透明接觸”LED (AlGaInP/GaAs)。
在2001年[62]和2002年[63]，在硅上生長(zhǎng)氮化鎵(GaN)發(fā)光二極管的工藝被成功演示。2012年1月，歐司朗(Osram)展示了在硅襯底上商業(yè)化生產(chǎn)的大功率InGaN led燈[64]，Plessey Semiconductors正在生產(chǎn)GaN-on-silicon led燈。截至2017年，一些制造商使用SiC作為L(zhǎng)ED生產(chǎn)的基片，但藍(lán)寶石更為常見，因?yàn)樗c氮化鎵的特性最為相似，從而減少了藍(lán)寶石晶片的花紋需求(花紋晶片被稱為epi晶片)。三星、劍橋大學(xué)和東芝正在研究硅發(fā)光二極管上的氮化鎵。東芝已經(jīng)停止了研究，可能是由于低產(chǎn)量。[65][66][67][68][69][70][71]一些選擇向外延,困難在硅,而其他人,像劍橋大學(xué),選擇對(duì)多層結(jié)構(gòu),以減少(水晶)晶格失配和熱膨脹率不同,為了避免開裂LED芯片的高溫(如生產(chǎn)過程),減少熱量的產(chǎn)生,提高發(fā)光效率。外延(或圖案藍(lán)寶石)可以通過納米壓印光刻進(jìn)行。氮化鎵通常采用金屬有機(jī)氣相外延(MOCVD)沉積，也采用發(fā)射法沉積。
白色led和照明的突破
盡管單獨(dú)使用紅、綠、藍(lán)三種led燈可以產(chǎn)生白光，但由于只發(fā)出三種波長(zhǎng)的窄波段的光，因此其顯色效果很差。在獲得高效率的藍(lán)色LED之后，很快就出現(xiàn)了第一個(gè)白色LED。在這個(gè)裝置中，(又稱“YAG”或Ce:YAG熒光粉)摻鈰的熒光粉涂層通過熒光產(chǎn)生黃色光。在眼睛看來，黃色和剩余的藍(lán)色的結(jié)合是白色的。使用不同的熒光粉通過熒光產(chǎn)生綠光和紅光。由此產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)的混合物被認(rèn)為是白光，與藍(lán)色LED/YAG熒光粉組合相比，具有更好的顯色效果。
演示了Haitz定律，顯示了隨著時(shí)間的推移每個(gè)LED燈的光輸出的改善，在垂直軸上有一個(gè)對(duì)數(shù)刻度
第一批白色led既昂貴又低效。然而，led的光輸出呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。松下(Panasonic)、日尼亞(Nichia)等日本制造商，以及三星(Samsung)、金訊(Kingsun)等韓國(guó)和中國(guó)制造商，都在宣傳最新的研發(fā)成果。這種產(chǎn)量增加的趨勢(shì)被稱為以Roland Haitz博士命名的Haitz定律。
藍(lán)光和近紫外線led的光輸出和效率上升，可靠設(shè)備的成本下降。這導(dǎo)致了相對(duì)大功率白光led用于照明，正在取代白熾燈和熒光燈。[80][81]
實(shí)驗(yàn)白色led已經(jīng)被證明可以產(chǎn)生303流明每瓦電(lm/w);有些可以持續(xù)10萬小時(shí)。[82][83]然而，市面上的led效率高達(dá)223 lm/w。[84][85][86]與白熾燈相比，這不僅極大地提高了電能的使用效率，而且盡管led的購(gòu)買成本較高，但總體成本明顯低于白熾燈。[87]
LED芯片被封裝在一個(gè)白色塑料小模具中。它可以用樹脂(聚氨酯基)，硅樹脂，或環(huán)氧樹脂(粉末)摻鈰摻Y(jié)AG磷。在允許溶劑蒸發(fā)后，LED經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試，并放置在貼片設(shè)備上，用于LED燈泡生產(chǎn)。封裝是在探測(cè)、切割、模具從晶片轉(zhuǎn)移到封裝、導(dǎo)線連接或倒裝芯片安裝之后進(jìn)行的，可能使用透明導(dǎo)電體氧化銦錫。在這種情況下，鍵合線附著在已經(jīng)沉積在led中的ITO薄膜上。一些“遠(yuǎn)程熒光粉”LED燈泡在幾個(gè)藍(lán)色LED上使用帶有YAG熒光粉的單一塑料罩，而不是在單個(gè)芯片白色LED上使用熒光粉涂層。
光產(chǎn)生和發(fā)射的物理學(xué)
在發(fā)光二極管中，半導(dǎo)體中的電子和電子空穴的復(fù)合產(chǎn)生光(無論是紅外、可見光或UV)，這個(gè)過程稱為“電致發(fā)光”。光的波長(zhǎng)取決于所用半導(dǎo)體的能帶間隙。由于這些材料具有高折射率，器件的設(shè)計(jì)特性如特殊的光學(xué)涂層和模具形狀需要有效地發(fā)光。
Colors
通過選擇不同的半導(dǎo)體材料，可以制造出單色led，它可以發(fā)出波長(zhǎng)較窄的光，從近紅外到可見光譜，再到紫外線范圍。當(dāng)波長(zhǎng)變短時(shí)，由于半導(dǎo)體的帶隙變大，LED的工作電壓增加。
藍(lán)色和紫外線
藍(lán)色led有一個(gè)活躍區(qū)域，由一個(gè)或多個(gè)InGaN量子阱組成，夾在較厚的氮化鎵層(稱為包層)之間。通過改變InGaN量子阱中的相對(duì)In/Ga分?jǐn)?shù)，理論上可以將光發(fā)射從紫色變?yōu)殓晟?/p>
不同Al/Ga組分的氮化鎵鋁(AlGaN)可用于制造紫外光led的包層和量子阱層，但這些器件尚未達(dá)到InGaN/GaN blue/green器件的效率和技術(shù)成熟度。如果在這種情況下使用未摻雜的氮化鎵來形成有源量子阱層，該裝置就會(huì)發(fā)出以365納米為中心的峰值波長(zhǎng)的近紫外光。使用InGaN/GaN系統(tǒng)生產(chǎn)的綠色發(fā)光二極管比使用非氮化材料系統(tǒng)生產(chǎn)的綠色發(fā)光二極管更加高效和明亮，但實(shí)際設(shè)備在高亮度應(yīng)用中效率仍然太低。[引文需要]
使用AlGaN和AlGaInN，甚至可以獲得更短的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)在360-395納米的近紫外線發(fā)射器已經(jīng)很便宜了，而且經(jīng)常被用作黑光燈的替代品，用于檢查文件和紙幣上的防偽紫外線水印，以及用于紫外線固化。雖然價(jià)格昂貴，但市場(chǎng)上可以買到波長(zhǎng)可達(dá)240nm的短波長(zhǎng)二極管。由于微生物的光敏性與DNA的吸收光譜近似匹配，峰值約為260 nm，因此預(yù)期在未來的消毒和滅菌設(shè)備中，UV LED將發(fā)射250-270 nm。最近的研究表明，市面上的UVA led (365nm)已經(jīng)是有效的消毒和滅菌設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)室中使用氮化鋁(210 nm)、氮化硼(215 nm)、91、92和金剛石(235 nm)獲得了紫外- c波長(zhǎng)。
白光
生產(chǎn)白色發(fā)光二極管有兩種主要方法。一種方法是使用單獨(dú)的發(fā)光二極管發(fā)出三種原色——紅、綠、藍(lán)，然后將所有顏色混合形成白光。另一種是使用磷材料將單色光從藍(lán)色或UV LED轉(zhuǎn)換為廣譜白光，類似于熒光燈。黃色的熒光粉是摻雜了鈰的YAG晶體，懸浮在封裝中或涂在LED上。YAG熒光粉使白色led在關(guān)閉時(shí)看起來是黃色的，晶體之間的空隙允許一些藍(lán)光通過。另外，白色led也可以使用其他的熒光粉，如摻鎂的氟硅酸鉀(PFS)或其他工程熒光粉。PFS協(xié)助紅色光的產(chǎn)生，并與傳統(tǒng)的Ce:YAG熒光粉一起使用。在帶有PFS熒光粉的led中，一些藍(lán)光通過熒光粉，Ce:YAG熒光粉將藍(lán)光轉(zhuǎn)換為綠光和紅光，PFS熒光粉將藍(lán)光轉(zhuǎn)換為紅光。LED的色溫可以通過改變熒光粉的濃度來控制。
產(chǎn)生的“白”光被設(shè)計(jì)成適合人眼。由于同源性，有可能有完全不同的光譜呈現(xiàn)白色。然而，被光照射的物體的外觀可能隨著光譜的變化而變化。這是顏色再現(xiàn)的問題，與色溫是完全不同的。一個(gè)橙色或青色的物體可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的顏色和更暗，因?yàn)長(zhǎng)ED或熒光粉不發(fā)射它反射的波長(zhǎng)。最好的顏色再現(xiàn)led使用混合的熒光粉，導(dǎo)致效率較低，但更好的顯色。
RGB
混合紅、綠、藍(lán)光源產(chǎn)生白光需要電子電路來控制顏色的混合。因?yàn)閘ed有輕微不同的發(fā)射模式，顏色平衡可能會(huì)改變?nèi)Q于視角，即使RGB源在一個(gè)單獨(dú)的包，所以RGB二極管很少用于產(chǎn)生白光。然而，由于混合不同顏色的靈活性，這種方法有很多應(yīng)用，[97]，原則上，這種機(jī)制在產(chǎn)生白光方面也有更高的量子效率[98]。
有幾種類型的多色白色led:二色、三色和四色白色led。在這些不同的方法中起作用的幾個(gè)關(guān)鍵因素包括顏色穩(wěn)定性、顯色能力和光效。通常，較高的效率意味著較低的顯色，這就需要在發(fā)光效率和顯色之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，二色白色led具有最佳的發(fā)光效率(120 lm/W)，但顯色能力最低。然而，四色白色led雖然具有優(yōu)異的顯色能力，但其發(fā)光效率往往較差。三原色白色led介于兩者之間，具有良好的光效(>70 lm/W)和良好的顯色能力。
其中一個(gè)挑戰(zhàn)是開發(fā)更高效的綠色led。理論上，綠色led的最大流明是每瓦683流明，但在2010年，很少有綠色led超過100流明每瓦。藍(lán)色和紅色led接近了它們的理論極限。
多色led還提供了一種新的方式來形成不同顏色的光。大多數(shù)可感知的顏色可以由不同數(shù)量的三基色混合而成。這允許精確的動(dòng)態(tài)色彩控制。然而，這種類型的LED的發(fā)射功率隨著溫度的升高呈指數(shù)衰減[99]，導(dǎo)致顏色穩(wěn)定性發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。這些問題阻礙了工業(yè)應(yīng)用。沒有熒光粉的多色LED不能提供良好的顯色效果，因?yàn)槊總€(gè)LED是一個(gè)窄帶光源。不含磷光的LED雖然是一般照明的較差解決方案，但卻是顯示器的最佳解決方案，無論是LCD的背光，還是直接基于像素的LED。
調(diào)暗多色LED光源以匹配白熾燈的特性是困難的，因?yàn)橹圃斓淖兓?、年齡和溫度會(huì)改變實(shí)際的顏色值輸出。為了模擬變暗白熾燈的外觀，可能需要一個(gè)帶有顏色傳感器的反饋系統(tǒng)來主動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制顏色。
發(fā)光二極管
這種方法包括用不同顏色的熒光粉覆蓋一種顏色的led(大部分是由InGaN制成的藍(lán)色led)，從而形成白光;由此產(chǎn)生的led稱為磷基或磷轉(zhuǎn)換白色led (pcLEDs)。[101]一部分藍(lán)光經(jīng)歷斯托克斯位移，即從較短的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。根據(jù)原始LED的顏色，使用各種彩色熒光粉。使用幾種不同顏色的磷光層拓寬了發(fā)射光譜，有效地提高了顯色指數(shù)(CRI)。
基于磷的led由于Stokes位移的熱量損失和其他與磷相關(guān)的問題而造成效率損失。與普通LED相比，它們的發(fā)光效率取決于合成光輸出的光譜分布和LED本身的原始波長(zhǎng)。例如，一個(gè)典型的基于YAG黃色磷光體的白色LED的發(fā)光效率是原始藍(lán)色LED的3到5倍，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)黃色比藍(lán)色更敏感(在光度函數(shù)中建模)。由于制造簡(jiǎn)單，熒光粉法仍然是制造高強(qiáng)度白色led最流行的方法。使用含磷轉(zhuǎn)換的單色發(fā)射器的光源或燈具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)比復(fù)雜的RGB系統(tǒng)更簡(jiǎn)單和便宜，目前市場(chǎng)上的大部分高強(qiáng)度白光led都是使用磷轉(zhuǎn)換制造的。
提高基于led的白光光源的效率所面臨的挑戰(zhàn)之一是開發(fā)更高效的熒光粉。截至2010年，最有效的黃色熒光粉仍然是YAG熒光粉，其Stokes位移損失小于10%。由LED芯片和LED封裝本身的再吸收引起的內(nèi)部光損耗通常占另外10%到30%的效率損失。目前，在熒光粉LED的發(fā)展領(lǐng)域，許多努力都花在優(yōu)化這些設(shè)備，以獲得更高的光輸出和更高的操作溫度。例如，可以通過調(diào)整更好的封裝設(shè)計(jì)或使用更合適的磷光體來提高效率。保形鍍膜工藝常用于解決熒光粉厚度變化的問題。
一些磷基白色led封裝在磷涂層環(huán)氧樹脂內(nèi)的藍(lán)色led?；蛘?，該LED可與遠(yuǎn)端熒光粉配對(duì)，這是涂有該熒光粉材料的預(yù)成型聚碳酸酯片。遠(yuǎn)程熒光粉提供更多的漫射光，這是許多應(yīng)用的需要。遠(yuǎn)程熒光粉設(shè)計(jì)也更能容忍LED發(fā)射光譜的變化。常見的黃色磷光材料是摻鈰的釔鋁石榴石(Ce3+:YAG)。
白色led也可以通過在近紫外線(NUV) led上涂上一層能發(fā)出紅色和藍(lán)色的高效銪基熒光粉，加上能發(fā)出綠色的摻雜銅和鋁的硫化鋅(ZnS:Cu, Al)。這種方法類似于熒光燈的工作方式。這種方法的效率不如YAG:Ce熒光粉的藍(lán)色led，因?yàn)镾tokes位移更大，所以更多的能量被轉(zhuǎn)換成熱量，但產(chǎn)生的光具有更好的光譜特性，使顏色更好。由于紫外發(fā)光二極管的輻射輸出比藍(lán)色發(fā)光二極管高，因此兩種方法的亮度相當(dāng)。人們擔(dān)心的是，紫外線可能會(huì)從故障光源處泄漏，對(duì)人的眼睛或皮膚造成傷害。
有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）
在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)中，構(gòu)成該二極管的發(fā)射層的電致發(fā)光材料是有機(jī)化合物。由于分子的全部或部分共軛導(dǎo)致pi電子離域，該有機(jī)材料具有導(dǎo)電性能，因此該材料具有有機(jī)半導(dǎo)體的功能。有機(jī)材料可以是晶體相的小有機(jī)分子，或聚合物。
oled的潛在優(yōu)勢(shì)包括薄、低成本、低驅(qū)動(dòng)電壓、寬視角、高對(duì)比度和色域。[108]聚合物led還具有可打印和柔性顯示器的額外優(yōu)點(diǎn)。[109][110][111] oled已被用于制造便攜式電子設(shè)備的視覺顯示，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、照明和電視。
類型
led有不同的封裝，適用于不同的應(yīng)用。一個(gè)或幾個(gè)LED接頭可以封裝在一個(gè)微型裝置中，用作指示燈或指示燈。一個(gè)LED陣列可以包括控制電路在同一包，它可以從一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻，閃爍或顏色變化控制，或一個(gè)可尋址控制器的RGB設(shè)備。大功率的白色發(fā)光裝置將安裝在散熱器上，用于照明。字母數(shù)字顯示在點(diǎn)陣或條格式是廣泛可用的。特殊的封裝允許led連接到光纖，用于高速數(shù)據(jù)通信鏈路。
led有各種形狀和大小。塑料透鏡的顏色通常與實(shí)際發(fā)出的光的顏色相同，但并不總是這樣。例如，紫色塑料經(jīng)常用于紅外發(fā)光二極管，和大多數(shù)藍(lán)色設(shè)備有無色的外殼?，F(xiàn)代大功率led，如那些用于照明和背光通常發(fā)現(xiàn)在表面貼裝技術(shù)(SMT)包(未顯示)。
微型
這些主要是作為指示燈的單模led，它們有從2毫米到8毫米的各種尺寸，通孔和表面安裝包。[112]典型的電流額定值范圍在1 mA左右到20 mA以上。多個(gè)LED模具連接到一個(gè)柔性背帶形成一個(gè)LED條燈。
常見的包形狀包括帶圓頂或平頂?shù)膱A形、帶平頂?shù)木匦?在條形圖顯示中使用)以及帶平頂?shù)娜切位蛘叫?。封裝也可以是清晰的或著色的，以提高對(duì)比度和觀察角度。紅外設(shè)備可能有一個(gè)黑色的色調(diào)，以阻擋可見光時(shí)，通過紅外輻射。
超高輸出led設(shè)計(jì)用于在陽光直射下觀看
5v和12v led是普通的微型led，有一個(gè)串聯(lián)電阻直接連接到5v或12v電源。
高功率
大功率led (HP-LEDs)或高輸出led (HO-LEDs)的驅(qū)動(dòng)電流從數(shù)百毫安到1安培以上，而其他led只有幾十毫安。有些能發(fā)射超過一千流明。LED的功率密度達(dá)到了300w /cm2。由于過熱是破壞性的，HP-LEDs必須安裝在散熱片上以允許散熱。如果HP-LED的熱量沒有被移除，設(shè)備將在幾秒鐘內(nèi)失效。一個(gè)HP-LED通常可以代替手電筒中的白熾燈，或者被設(shè)置成一個(gè)陣列來形成一個(gè)強(qiáng)大的LED燈。
在這一領(lǐng)域一些著名的HP-LEDs是Nichia 19系列，Lumileds Rebel Led，歐司朗Opto半導(dǎo)體金龍和Cree X-lamp。截至2009年9月，Cree公司生產(chǎn)的一些高亮led已經(jīng)超過了105 lm/ w。
Haitz定律預(yù)測(cè)LED的光輸出和效率隨時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其中CREE hp - g系列LED在2009年達(dá)到了105 lm/W[115]，而2010年發(fā)布的Nichia 19系列LED的典型效率為140 lm/W[116]。
AC-driven
首爾半導(dǎo)體公司開發(fā)的led可以在交流電源下工作，而不需要直流轉(zhuǎn)換器。在每個(gè)半周期中，LED的一部分發(fā)光，一部分變暗，在下一個(gè)半周期中，情況會(huì)相反。這種類型的HP-LED的效率通常為40 lm/W。大量串聯(lián)的LED元件可以從線路電壓直接工作。2009年，首爾半導(dǎo)體公司推出了一款名為“Acrich MJT”的高直流電壓LED，它可以通過一個(gè)簡(jiǎn)單的控制電路由交流電源驅(qū)動(dòng)。這些LED的低功耗使它們比原來的交流LED設(shè)計(jì)更加靈活。
應(yīng)用
LED的用途可分為四大類:
視覺信號(hào)是指光線或多或少直接從光源進(jìn)入人眼，以傳達(dá)信息或意義
光線從物體中反射出來，對(duì)物體產(chǎn)生視覺反應(yīng)的照明
不涉及人類視覺的過程的測(cè)量和交互[149]
窄帶光傳感器，其中l(wèi)ed以反向偏置模式工作，對(duì)入射光作出響應(yīng)，而不是發(fā)光[150][151][152][153]
指標(biāo)和標(biāo)志
led的低能耗、低維護(hù)和小尺寸使得它被用作各種設(shè)備和安裝上的狀態(tài)指示器和顯示器。大面積LED顯示器被用作體育場(chǎng)顯示器、動(dòng)態(tài)裝飾顯示器和高速公路上的動(dòng)態(tài)信息標(biāo)志。稀薄、輕量級(jí)的消息顯示用于機(jī)場(chǎng)和火車站，并作為火車、公共汽車、有軌電車和渡船的目的地顯示。
紅色和綠色LED交通信號(hào)
單色燈非常適合交通燈和信號(hào)，出口標(biāo)志，緊急車輛照明，船舶導(dǎo)航燈，和led為基礎(chǔ)的圣誕燈
由于其壽命長(zhǎng)、切換時(shí)間快、高輸出和聚焦在光天化日下的可見度高，led已被用于汽車剎車燈和轉(zhuǎn)向信號(hào)。剎車的使用提高了安全性，因?yàn)槌浞贮c(diǎn)亮所需的時(shí)間大大減少，或上升時(shí)間更快，大約比白熾燈快0.1秒[引用需要]。這給了后面的司機(jī)更多的反應(yīng)時(shí)間。在雙強(qiáng)度電路(后方標(biāo)記和剎車)中，如果LED的脈沖頻率不夠快，他們可以創(chuàng)建一個(gè)幻影陣列，如果眼睛快速掃描陣列，就會(huì)看到LED的幽靈圖像。白色LED大燈開始出現(xiàn)。使用led具有造型上的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閘ed可以形成比帶拋物面反射器的白熾燈更薄的燈。
由于低輸出led相對(duì)便宜，它們也被用于許多臨時(shí)用途，如熒光棒、拋光片和光子紡織品Lumalive。藝術(shù)家們也將LED用于LED藝術(shù)。
Lighting
隨著高效大功率led的發(fā)展，led在照明和照明方面的應(yīng)用已經(jīng)成為可能。為了鼓勵(lì)轉(zhuǎn)向LED燈和其他高效照明，2008年美國(guó)能源部創(chuàng)建了L獎(jiǎng)競(jìng)賽。2011年8月3日，經(jīng)過18個(gè)月的密集現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)品測(cè)試，飛利浦照明北美LED燈泡贏得了第一屆比賽。[154]
高效照明是可持續(xù)建筑所需要的。截至2011年，一些LED燈泡的功率可達(dá)150 lm/W，即使是便宜的低端型號(hào)通常也會(huì)超過50 lm/W，因此6瓦LED可以達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)40瓦白熾燈相同的效果。led較低的熱量輸出也減少了對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的需求。在世界范圍內(nèi)，led燈被迅速采用，取代了白熾燈和節(jié)能燈等效率較低的光源，并減少了電能消耗和相關(guān)的排放。太陽能led燈被用作路燈和建筑照明。
機(jī)械堅(jiān)固性和長(zhǎng)壽命用于汽車照明，摩托車和自行車燈。LED路燈被用于電線桿和停車場(chǎng)。2007年，意大利的Torraca村率先將其街道照明改為led。
最近的空中客車和波音飛機(jī)使用了LED照明。led也被用于機(jī)場(chǎng)和直升機(jī)場(chǎng)的照明。LED機(jī)場(chǎng)燈具目前包括中等強(qiáng)度的跑道燈、跑道中心線燈、滑行道中心線和邊緣燈、引導(dǎo)標(biāo)志和障礙物燈。
LED也被用作DLP投影儀的光源，用于液晶電視(稱為L(zhǎng)ED電視)和筆記本電腦顯示器的背光。RGB led可將色域提高45%。電視和電腦顯示器的屏幕可以用led作背光來變薄。[156]
led體積小，耐用，耗電小，因此被用于手持式設(shè)備，如手電筒。LED閃光燈或照相機(jī)閃光燈在安全、低電壓下工作，而不是通常在基于氙氣閃光燈的照明中發(fā)現(xiàn)的250+伏特。這在移動(dòng)電話的相機(jī)上特別有用，因?yàn)樵谶@種情況下，空間非常寶貴，而且體積龐大的升壓電路是不可取的。
led用于包括安全攝像頭在內(nèi)的夜視系統(tǒng)中的紅外照明。圍繞在攝像機(jī)周圍的一圈發(fā)光二極管，朝向一個(gè)向后反射的背景，允許在視頻制作中進(jìn)行色度鍵控。
領(lǐng)導(dǎo)礦工，增加礦井內(nèi)的能見度
洛杉磯文森特托馬斯橋用藍(lán)色led照明
led用于采礦作業(yè)，作為為礦工提供照明的頭燈。研究人員已經(jīng)改進(jìn)了用于采礦的led，以減少眩光并增加光照，從而降低礦工受傷的風(fēng)險(xiǎn)。[157]
led在醫(yī)療和教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，比如可以增強(qiáng)情緒。[158]美國(guó)宇航局甚至贊助了使用led來促進(jìn)宇航員健康的研究。[159]
數(shù)據(jù)通信和其他信令
光可以用來傳輸數(shù)據(jù)和模擬信號(hào)。例如，照明白色led可用于系統(tǒng)中，幫助人們?cè)诜忾]空間中導(dǎo)航，同時(shí)搜索必要的房間或物體。
許多劇院和類似空間的輔助聽力設(shè)備使用紅外led陣列將聲音發(fā)送到聽眾的接收器。發(fā)光二極管(以及半導(dǎo)體激光器)被用來通過多種類型的光纖電纜發(fā)送數(shù)據(jù)，從數(shù)字音頻電纜到形成互聯(lián)網(wǎng)主干的高帶寬光纖鏈路。有一段時(shí)間，電腦通常都配備了IrDA接口，這使它們能夠通過紅外線向附近的機(jī)器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
因?yàn)閘ed可以每秒循環(huán)數(shù)百萬次，所以可以獲得很高的數(shù)據(jù)帶寬。
機(jī)器視覺系統(tǒng)
機(jī)器視覺系統(tǒng)通常需要明亮和均勻的照明，因此感興趣的特征更容易處理。led經(jīng)常被使用。
條碼掃描器是機(jī)器視覺應(yīng)用程序中最常見的例子，其中許多掃描器使用紅色led代替激光。光學(xué)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)使用led作為鼠標(biāo)內(nèi)部微型照相機(jī)的光源。
led對(duì)機(jī)器視覺很有用，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘环N緊湊、可靠的光源。LED燈可以根據(jù)視覺系統(tǒng)的需要進(jìn)行開關(guān)，產(chǎn)生的光束的形狀可以根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行調(diào)整。
生物檢測(cè)
美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)在氮化鋁鎵(AlGaN)合金中發(fā)現(xiàn)的輻射復(fù)合導(dǎo)致了將紫外光發(fā)射二極管(led)納入用于生物試劑檢測(cè)的光誘導(dǎo)熒光傳感器的概念。[162][163][164] 2004年，埃奇伍德化學(xué)生物中心(ECBC)開始致力于創(chuàng)建一種名為TAC-BIO的生物探測(cè)器。該計(jì)劃利用了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)開發(fā)的半導(dǎo)體紫外光源(SUVOS)。
紫外誘導(dǎo)熒光是用于快速實(shí)時(shí)檢測(cè)生物氣溶膠的最可靠的技術(shù)之一。[164]最早的紫外傳感器是激光，缺乏現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)用性。為了解決這個(gè)問題，DARPA整合了SUVOS技術(shù)來制造一種低成本、小、輕、低功率的設(shè)備。taco - bio探測(cè)器的反應(yīng)時(shí)間是在它感覺到生物制劑后的一分鐘。還證明，該探測(cè)器可以在無人看管的室內(nèi)和室外同時(shí)工作數(shù)周。
霧化的生物顆粒在紫外線照射下會(huì)發(fā)出熒光和散射光。觀察到的熒光依賴于應(yīng)用的波長(zhǎng)和生物制劑內(nèi)的生化熒光團(tuán)。紫外誘導(dǎo)熒光技術(shù)為生物試劑檢測(cè)提供了一種快速、準(zhǔn)確、高效和切實(shí)可行的方法。這是因?yàn)槭褂肬V熒光的試劑較少，或者不需要添加化學(xué)物質(zhì)來產(chǎn)生反應(yīng)，沒有消耗品，或者不產(chǎn)生化學(xué)副產(chǎn)品。
此外，TAC-BIO可以可靠地區(qū)分威脅和非威脅氣溶膠。據(jù)稱，它的靈敏度足以檢測(cè)到低濃度，但又不會(huì)敏感到導(dǎo)致誤報(bào)。該設(shè)備中使用的粒子計(jì)數(shù)算法通過對(duì)熒光和散射檢測(cè)器單位時(shí)間內(nèi)的光子脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息[165]。
最初的TAC-BIO是在2010年推出的，而第二代TAC-BIO GEN II是在2015年設(shè)計(jì)的，因?yàn)槭褂玫氖撬芰喜考?，所以成本效率更高。它體積小、重量輕，可以安裝在車輛、機(jī)器人和無人機(jī)上。第二代設(shè)備還可以作為環(huán)境探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)醫(yī)院、飛機(jī)甚至家庭的空氣質(zhì)量，檢測(cè)真菌和霉菌。[166][167]
其他
發(fā)光二極管發(fā)出的光可被快速調(diào)制，因此廣泛應(yīng)用于光纖和自由空間光學(xué)通信。這包括遙控器，例如經(jīng)常使用紅外發(fā)光二極管的電視機(jī)。光隔離器使用LED與光電二極管或光電晶體管相結(jié)合，在兩個(gè)電路之間提供具有電氣隔離的信號(hào)通路。這在醫(yī)療設(shè)備中特別有用，在這些設(shè)備中，與生物接觸的低壓傳感器電路(通常是電池供電的)發(fā)出的信號(hào)必須與在潛在危險(xiǎn)電壓下運(yùn)行的記錄或監(jiān)測(cè)設(shè)備中可能出現(xiàn)的電氣故障電隔離。光隔離器還可以讓信息在不共用地電勢(shì)的電路之間傳輸。
許多傳感器系統(tǒng)依靠光作為信號(hào)源。由于傳感器的要求，led通常是理想的光源。任天堂Wii的感應(yīng)條使用了紅外線led。脈搏血氧計(jì)用它們來測(cè)量氧飽和度。一些平板掃描儀使用RGB led陣列而不是典型的冷陰極熒光燈作為光源。擁有獨(dú)立控制的三種照明顏色允許掃描儀校準(zhǔn)自己更準(zhǔn)確的顏色平衡，而且不需要預(yù)熱。此外，它的傳感器只需要是單色的，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候被掃描的頁面只被一種顏色的光照射。
由于led也可以用作光電二極管，它們可以用于光電發(fā)射和檢測(cè)。例如，這可以用在記錄手指或觸控筆反射光線的觸摸屏上。[168]許多材料和生物系統(tǒng)對(duì)光敏感，或依賴于光。生長(zhǎng)燈利用led提高植物的光合作用[169]，利用UV led殺菌可以從水和其他物質(zhì)中去除細(xì)菌和病毒[89]。
深紫外發(fā)光二極管,光譜范圍247 nm - 386 nm,其他應(yīng)用程序,比如水/空氣凈化,表面消毒,環(huán)氧固化、空間nonline-of-sight溝通,高效液相色譜,紫外固化和印刷、光療、醫(yī)療/分析儀器,和DNA吸收。[163][170]
led在電子電路中也被用作中等質(zhì)量的電壓基準(zhǔn)。正向電壓降(約1.7 V的紅色LED或1.2V的紅外線)可以用來代替一個(gè)齊納二極管在低壓穩(wěn)壓器。紅色led在膝蓋以上的I/V曲線最平坦。氮基led有一個(gè)相當(dāng)陡峭的I/V曲線，在這個(gè)目的是沒有用的。雖然LED正向電壓比齊納二極管更依賴電流，但擊穿電壓低于3v的齊納二極管并不廣泛使用。
低壓照明技術(shù)(如LED和oled)的逐漸小型化，適合納入低厚度的材料，促進(jìn)了將光源和內(nèi)墻覆蓋表面以LED墻紙形式結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。
