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一文看懂关于LED的那些事儿

来源:http://ig88new.com 责任编辑:ag88环亚国际 2018-09-14 07:32

  一文看懂关于LED的那些事儿

  

发光二极管(LEDs)的最新进展使得照明职业快速增长。现在,固态照明技能逐渐渗透到不同细分商场,如轿车照明、室内及室外照明、医疗运用、以及生活用品。

  

美国动力部最新陈述指出,至2020年,该技能有望削减照明职业15%的动力消耗,2030年节省30%——即光2030年就能节省261 TWh(太瓦时)的能量,以其时的价格核算其价值超越260亿美元,相当于美国两千四百万家庭现在的动力消费总和。此外,这些节省的能量用于混合发电厂将削减大约一千八百万吨CO2温室气体的排放。

  

虽然在许多情况下,这些设备的初始本钱依然高于现有的光源设备,可是LEDs更高的功率以及更长的寿数使其具有很强的竞争力。Strategies Unlimited估量2013年全球销售出4亿只LED灯,McKinsey查询标明2016年LEDs在全球一般照明商场的比例将到达45%,2020年将挨近70%。到2020年,该范畴的商场容量估计将从现在的约260亿美元进步到720亿美元。

  

LED设备是一个杂乱的多组分系统,可根据特定需求调整功能特征。以下章节将评论白光LED及其他运用。

  

LED的开展之路

  

 
 
 
 
 
 

 

  

无机材猜中电致发光现象是LED发光的根底,HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年别离报导LED发光现象——电流经过使得碳化硅(SiC)晶体发光。这些成果引发了半导体及p-n结光电进程的进一步理论研讨。

  

20世纪50、60年代,科学家开端研讨Ge、游资刀口舔血 中弘股价一元悬念“暗藏杀机”?ag88环亚国际娱乐。Si以及一系列III-V族半导体(如InGaP、GaAlAs)的电致发光功能。Richard Haynes和William Shockley证明晰p-n结中电子和空穴复合导致发光。随后,一系列半导体被研讨,最总算1962年由Nick Holonyak开发出了第一个红光LED。受其影响,1971年George Craford创造晰橙光LEDs,1972年又相继创造晰黄光和绿光LEDs(均由GaAsP组成)。

  

激烈的研讨敏捷使得在宽光谱范围内(从红外到黄色)发光的LEDs完成商业化,首要用于电话或控制面板的指示灯。实际上,这些LEDs的功率很低,电流密度有限,使得亮度很低,并不适于一般照明。

  

蓝光LEDs

  

 
 
 
 
 
 

 

  

高效的蓝光LEDs的研制花费了30年的时刻,由于其时没有可运用的满足质量的宽带隙半导体。1989年,第一个根据SiC资料系统的蓝光LEDs商品化,但由于SiC是直接带隙半导体,使得其功率很低。20世纪50年代末就现已考虑运用直接带隙半导体GaN,1971年JacquesPankove展现了第一款发射绿光的GaN基LED。但是,制备高质量GaN单晶以及在这些材猜中引进n-型和p-型掺杂的技能依然有待开发。

  

20世纪70年代开展的金属-有机物气相外延(MOVPE)等技能关于高效蓝光LEDs的开展具有里程碑含义。1974年,日本科学家Isamu Akasaki开端选用这种办法成长GaN晶体,并与Hiroshi Aman协作于1986年经过MOVPE办法初次组成了高质量的器材级GaN。

  

另一个首要应战是p-型掺杂GaN的可控组成。实际上,MOVPE进程中,Mg和Zn原子可进入这种资料的晶体结构中,但往往与氢结合,然后构成无效的p-型掺杂。Amano、Akasaki及其协作者调查到Zn掺杂的GaN在扫描电子显微镜调查往后会发射更多的光。

  

相同的办法,他们证明晰电子束辐射对Mg原子的掺杂功能起到有利的效果。随后,Shuji Nakamura提出在热退火之后添加一个简略的后堆积过程,分化Mg和Zn的杂乱体,该办法可容易完成GaN及其三元合金(InGaN、AlGaN)的p-型掺杂。

  

应该指出的是,这些三元系统的能带可经过Al和In的成分进行调理,使得蓝光LEDs的规划添加了一个自由度,关于进步其功率具有重要的含义。事实上,现在这些器材的活性层一般由一系列替换的窄带隙InGaN和GaN层以及宽带系的p-型掺杂AlGaN薄膜(作为载流子的p-端束缚)组成。

  

1994年,Nakamura及其协作者根据n-型和p-型掺杂AlGaN之间Zn掺杂InGaN活性层的对称双异质结构规划,初次展现了具有2.7%外量子功率(EQE)的InGaN蓝光LED(框1罗列出了LEDs首要的功能目标界说)。

  

该LED结构暗示图示于图1a。这些成果关于现在运用的LED基照明技能而言是很要害的,也因而引发了照明职业的革新。2014年末,诺贝尔物理学奖颁发Akasaki、Amano和Nakamura,赞誉他们“创造用于照明以及白光源节能的高效蓝光LED”。

  

LED功能目标

  

 
 
 
 
 
 

 

  

量子功率Quantum efficiency:资料内量子功率(IQE)为辐射的电子-空穴复合(即发生光子)数量与复合总量(辐射与非辐射)的比值。

  

该目标决议了半导体资料发光功率。半导体LED功能一般运用外量子功率(EQE)表明,即IQE与提取功率的乘积。提取功率特指发生的光子中逃离LED的部分。EQE取决于直接影响IQE的半导体层缺点和影响提取功率的器材结构。

  

发光功率(Luminous efficacy):发光功率表明光源发射可见光辐射的功率,单位一般为lm W?1。光源以单色绿光(频率为450x1012 Hz,对应波长约为555 nm,人类眼睛最灵敏的光,图2b为相应的眼睛灵敏度曲线)变换100%电能,其最大发光功率到达683 lm W?1。