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探索发光二极管的秘密

传感器技术  · 公众号  ·  · 2017-05-11 06:16

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光是能量的一种形式,一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但没质量的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子,是光的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。


当二极管的两端加上正向偏压,大部分电压就加到空间电荷区上。这时内建电场电压降低,打破了载流子的扩散漂移平衡:p区空穴向n区扩散、n区电子向p区扩散,等效于外加电场给n区注入空穴、给p区注入电子。


注入n区的空穴很快与电子复合辐射光子,注入p区的电子也很快与空穴复合辐射光子, pn结就在电场的作用下就不断的发光。在外加正向电压很小时,注入载流子的量极小,肉眼看不到发出的光;


只有当外加电压接近或超过内建电场电压时才会大量地注入载流子,这样就可以看见二极管发出明亮的光。


对于发光二极管,需要注入的电子和空穴尽快地复合,复合电流占总电流的比例越大发光效率越高,让电能更多地转化为光能而不是热能;而普通二极管一般需要注入的电子和空穴尽量少地复合。

自由电子从P型层通过二极管落入空的电子空穴。这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数,所以电子就是以光子形式释放能量。这在任何二极管里都会发生的,在普通二极管里,半导体材料本身吸引大量的光能而结束。


发光二极管的英文简称为LED。在生活中可以见到各种颜色的发光二极管,有的发绿光,有的发红光,有的发蓝光,光彩夺目,还有的发不可见的红外和紫外光。


那么,是什么决定了二极管发不同颜色的光?当一个电子从导带跃迁到价带就会辐射一个光子,这个光子的能量E就等于禁带宽度Eg,而光子的波长λ=1.24/Eg(μm),所以半导体的禁带宽度基本决定了二极管发光的颜色。

白光发光二极管发出的白光不是单色光,而是由多种光混合而成。常见的白光发光二极管使用的是氮化镓半导体材料,其禁带宽度约3.39eV,形成的pn结发的是蓝光(已通过杂质能级调节光子能量)。但是,在二极管中的pn结外面涂有一层黄光荧光粉,当蓝光打到黄光荧光粉上后,发光二极管就发出黄蓝光混合而成的白光。

发光二极管的发展历程

1907年,英国马可尼(Marconi)实验室的科学家Henry Round第一次推论半导体PN结在一定的条件下可以发出光。这个发现奠定了LED被发明的物理基础。

1927年,俄罗斯科学家奥列弗拉基洛谢夫独立制作了世界上第一颗LED,其研究成果曾先后在俄国、德国和英国的科学杂志上发表,可惜当时并没有人理睬他。


1955年,美国无线电公司33岁的物理学家鲁宾·布朗石泰首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用并在物理上实现了二极管的发光,可惜发出的光不是可见光而是红外线,但这个贡献也很大了。

1961年,德州仪器公司(TI)的科学家鲍勃·布莱德和加里·皮特曼发现砷化镓在施加电子流时会释放红外光辐射。他们率先生产出了用于商业用途的红外LED并获得了砷化镓红外二极管的发明专利。不久,红外LED就被广泛应用于传感及光电设备当中。

1962年,美国通用电气公司(GE)一名34岁的普通研究人员尼克·何伦亚克发明了可以发出红色可见光的LED,被称为“发光二极管之父”,后来也获得了N多奖项。当时的LED还只能手工制造,而且每只的售价需要10美元。1963年,他离开通用电气公司,出任其母校美国伊利诺大学电机工程系教授,培养自己的接班人。

1972年,何伦亚克的学生乔治·克劳福德踏着前辈们的脚步发明了第一颗橙黄光LED,其亮度是先前红光LED的10倍,这标志着LED向着提高发光效率方向迈出的第一步。

20世纪70年代末期,LED已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色,但依然没有蓝色和白色光的LED。因为只有发明出蓝光LED才可能实现全彩色LED显示,市场价值巨大,也是当时世界性的攻关难题。科学家们转而将重点放在了提高LED的发光效率上面。

20世纪70年代中期,LED可产生绿、黄、橙色光时,发光效为1流明/瓦,到了20世纪80年代中期对砷化镓和磷化铝的使用使得第一代高亮度红、黄、绿色光LED诞生,发光效率已达到10流明/瓦。

1993年,中村修二在日本日亚化学工业株式 会社就职期间,利用半导体材料氮化镓(GaN)和铟氮化稼发明了蓝光LED,在蓝光LED出现之前,由于无法通过RGB系统合成白光,LED的光效、亮度也不高,LED无法应用于照明领域。


因此在1995年中村修二采用铟氮化稼又发明了绿光LED,在1998年利用红、绿、蓝三种LED制成白光LED,从此绿光与白光LED研制成功,标志着LED正式进入照明领域,是LED照明发展最关键的里程碑。中村修二被称为“蓝光、绿光、白光LED之父”

1996年,日亚化学公司在日本最早申报的白光LED的发明专利就是在蓝光LED芯片上涂覆YAG黄色荧光粉,通过芯片发出的蓝光与荧光粉被激活后发出的黄光互补而形成白光。蓝色和白色光LED的出现拓宽了LED的应用领域,使全彩色LED显示、LED照明等应用成为可能。


21世纪初,LED已经可以发出任何可见光谱颜色的光(还包括有红外线和紫外线)。其发光效率已经达到100流明/瓦以上。







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