LED灯具的发光原理是什么?
LED灯具的发光原理是什么?
LED是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能。LED与普通二极管一样由一个PN结组成,也具有单向导电性,即正向导通特性、反向截止特性和击穿特性。在一定条件上,它还具有发光特性。
LED通常是由III-V族化合物半导体(直接带隙)发光材料(如GaAs、GaN-InN-AIN和GaP等)制成的。如果在硅(Si)单晶的一半中渗入III族元素镓(Ga),就形成P型半导体材料;而在硅单晶的另一半中掺杂V族元素砷(As),则形成N型半导体材料。Ga被称为受主杂质,而As则被称为施主杂质,两块材料结合在一起就得到PN结。N型半导体中有余量的电子,P型半导体中有余量的空穴,如图1-1所示。电子会从N区扩散到P区,空穴则从P区扩散到N区,电子和空穴相互扩散于是在PN结处形成一个耗尽层。耗尽层具有一定的势垒,能阻止电子和空穴的进一步扩展,于是使PN结处于平衡状态。
如果给PN结外加一个正向偏置电压,PN结的势垒将会减小,N型半导体中的电子将会注入到P型半导体中,P型半导体中的空穴则会注入到N型半导体中,从而出现非平衡状态。这些注人的电子和空穴在PN结处相遇发生复合,复合时将多余的能量以光能的形式释放出来,从而可以观察到PN结发光。这就是PN结发光的机理,如图1-2所示。当电子和空穴发生复合时,还有一些能量以热能的形式散发出来。
如果给PN结加反向电压,PN结的内部电场被增强,电子(负离子)与空穴(正离子)难以注人,故不发光。
通过电子(负离子)与空穴(正离子)的复合电发光原理制作的二极管,就是常说的发光二极管,即LED。调节电流,便可以调节光的强度,通过调整材料的能带结构和带隙,可以改变发光颜色。
图1-2中的Eg为势垒高度,亦称禁带宽度,单位是电子伏(eV)。光的波长入与选用的半导体材料的Eg有关,并可以表示为λ=1239/Eg。
可见光的波长范围一般在380~780nm,相应的半导体材料Eg为3.26~1.63eV。人眼感受和观察到的可见光分为红、橙、黄、绿、青、蓝和紫7种颜色的光,这些光均为单色光。白光并不是一种单色光,在可见光的光谱中是不存在白光的。白光LED发出的白光,是数种颜色的单色光混合而成的一种复合光。
LED也可以发不可见光(其波长范围为850~1550nm),这类LED被称为不可见光LED像波长在850-950mm范围的红外线LED,就是一种不可见光LED。