1.1 LED的基本概念

LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的简称。顾名思义，发光二极管是一种可以将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件。LED是一种半导体二极管，与普通半导体二极管一样有两个电极（正极和负极）。LED在工作时需外加电源，外加的电能也是由这两个正、负电极加入到半导体二极管内。LED在内部结构上有和半导体二极管相似的p区和n区，p区和n区相交的界面形成pn结。LED与普通半导体二极管一样是一种允许电流单向导通的器件（如图1.1所示）。LED的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。根据加在二极管两端的电压大小，利用通过LED的电流最终使pn结发光。

1.1.1 LED的基本结构与发光原理

基本结构

LED器件的制造目的是为了得到光，所以它的结构与普通半导体二极管并不一样。图1.2表示了LED的结构图，图1.3给出了LED芯片的基本结构示意图。

发光原理

LED是怎么发光的呢？大家知道p区带有过量的正电荷（通常称为空穴），n区带有过量的负电荷（通常称为电子），当正向导通的电压加在这个半导体材料的pn结上时，电子就会从n区向p区移动，在p区和n区的交界处电子和空穴发生复合，复合过程中能量就会以光的形式从LED发射出来，参见图1.4。

电子和空穴复合可分为两类：一是伴随光的辐射的复合；还有一类是不伴随光的辐射的复合。前者是由于空穴和电子的复合以光（含紫外光、红外光）的形式辐射能量，这是发光的主要机理，也是发光器件所追求的。而后者复合不伴随光的辐射，这对固体发光器件来说是有害的（因为以热的方式辐射而使器件的温度升高），所以对于固体发光器件来说，就是要研究如何增强带有光的辐射形式的复合。因此，研究LED芯片原理及应用的目的，就是在半导体pn结处流过正向电流时，能以较高的能量转换效率来辐射出200～1550 nm波长范围的可见光谱（包括紫外、红外），从而做成实用的发光器件。

LED发光的颜色

根据不同的结构和材料，LED发光的颜色也是不同的，这由组成的半导体材料决定，通常是采用两种有细微差异的材料构成n区和p区。n区和p区交界处形成的pn结组成发光层。p区和n区必须有两个电极作为输入接触电极，同时不同颜色的LED都有衬底，衬底的材料也有所不同。为了能使衬底与p区很好地结合，必须采用某种材料作为它们两层之间良好结合的缓冲层。这样就完整地组成了LED的基本结构（参见图1.2的LED的基本结构）。

目前，照明领域使用的LED有两大类：一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP或AlInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金（InGaN），可以做成绿色、蓝色和白色的LED。

1.1.2 LED的特点

LED是通过pn结实现电光转换的，其特点为：

● 节能。LED的能耗较小，随着技术的进步，它将成为一种新型的节能照明光源。目前白光LED的出光效率已经达到70 lm/W，超过了普通白炽灯的水平。如果按现在的LED技术发展速度预测，到2015年，白光LED的出光效率有可能达到150～200 lm/W，远远超过了现在所有照明光源的出光效率。

● 结构牢固。LED是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件。LED是一种全固体结构，因此能够经受住振动、冲击而不致引起损坏。

● 寿命长。普通白炽灯的寿命约为 1000 小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不会超过 1 万小时，而LED目前的使用寿命可长达数万小时。根据研究其使用寿命可达到 10万小时。

● 环保。现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中都含有危害人体健康的汞，这些光源的生产过程和废弃的灯管都会对环境造成污染。LED则没有这些问题，其发光颜色纯正，不含有紫外和红外的辐射，它是一种“清洁”的光源。

除此之外，LED作为照明用光源还有一些重要的优点。例如，发光体接近点光源，便于灯具设计；发光响应时间快，是交通信号灯的最好光源；易于做成薄型灯具，节省安装空间，等等。

综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓的“绿色照明”的概念就是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，可以提高人们工作、学习、生活的条件与质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境。