LED是繼1950年代硅(Si)半導(dǎo)體技術(shù)后，由三五族(III-V族)化合物半導(dǎo)體發(fā)展的半導(dǎo)體器件。LED的發(fā)光原理是利用半導(dǎo)體中的電子和空穴結(jié)合而發(fā)出光子，不同于燈泡需要在3000度以上的高溫下操作，也不必像日光燈需使用高電壓激發(fā)電子束，LED和一般的電子元件相同，只需要2-4V的電壓，在常溫下就可以正常動(dòng)作，因此其壽命也比傳統(tǒng)光源來(lái)得更長(zhǎng)。
LED所發(fā)出的顏色，主要是取決于電子與空穴結(jié)合所釋放出來(lái)的能量高低，也就是由所用的半導(dǎo)體材料的能隙所決定。同一種材料的波長(zhǎng)都很接近，因此每一顆LED的光色都很純正，與傳統(tǒng)光源都混有多種顏色相比，LED可說(shuō)是一種數(shù)字化的光源。
其實(shí)，LED技術(shù)研發(fā)之路，最為人津津樂(lè)道的故事，就是開(kāi)發(fā)藍(lán)光LED時(shí)，碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)兩大門(mén)派之爭(zhēng)。這也是許多研發(fā)團(tuán)隊(duì)辛勤投入開(kāi)發(fā)藍(lán)光LED元件時(shí)，必須痛苦抉擇的兩條截然不同的道路。
之前，全球許多大公司皆投入SiC研發(fā)，結(jié)果日本一家專(zhuān)門(mén)做熒光粉業(yè)務(wù)的公司——日本日亞化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研發(fā)人員中村修二先生(Shuj Nakamura)于1994年和1995年，在氮化鎵(GaN)研究方面獲得重大突破，并取得震驚全球的專(zhuān)利。這位研發(fā)人員的重大突破，引發(fā)了包括Sony及Toshiba等大廠的最高主管都出面為自己所做的錯(cuò)誤決策導(dǎo)致技術(shù)落后而道歉。這位Nakamura的技術(shù)突破，讓氮化鎵(GaN)陣營(yíng)正式快速超越SiC。
原本做熒光粉業(yè)務(wù)的Nichia由于在藍(lán)光LED技術(shù)上的成功，使其年?duì)I業(yè)額從約1億美元快速發(fā)展到2003年的9億美元。而原本該公司準(zhǔn)備發(fā)給Nakamura的專(zhuān)利獎(jiǎng)勵(lì)金是日幣200萬(wàn)元，經(jīng)過(guò)一場(chǎng)官司后，Nichia被判定應(yīng)該給這位研究人員日幣2億元。
LED晶片大小可以因用途而隨意切割，常用的大小為0.3-1.0mm左右，跟傳統(tǒng)的燈泡或日光燈相比，體積相對(duì)小得多。為了使用方便，LED通常都使用樹(shù)脂包裝，做成5mm左右的各種形狀，十分堅(jiān)固耐震。
LED的制作過(guò)程與制作硅晶圓IC很相似，首先使用化學(xué)周期表中超高純度的III族元素——鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)，以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)為材料，在高溫下反應(yīng)成為化合物，經(jīng)過(guò)單晶生長(zhǎng)技術(shù)，制成單晶棒，經(jīng)過(guò)切割、研磨、拋光成為晶片，再將其作為基板(substrate)，使用磊晶技術(shù)將發(fā)光材料生長(zhǎng)在基板上，制成的磊晶片經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體鍍金和蝕刻工藝后，通過(guò)細(xì)切加工成LED晶粒。
值得注意的是，除了大家常見(jiàn)的可見(jiàn)光外，LED還有不可見(jiàn)光，如“紫外光”與“紅外光”等，例如電視遙控器就是一種紅外光應(yīng)用，其波長(zhǎng)約為900nm，而紫外光則因?yàn)榫哂袣⒕δ埽员粡V泛應(yīng)用在醫(yī)療用途上。
(1)提高發(fā)光強(qiáng)度及發(fā)光效率
作為指示燈方面的應(yīng)用，有幾個(gè)mcd的發(fā)光強(qiáng)度也可以了，但由LED組成的數(shù)碼管或字符管則顯得亮度不足，若要用于戶(hù)外作信號(hào)或標(biāo)志顯示，則其亮度太低，不能滿(mǎn)足使用的要求。所以LED的主要發(fā)展方向是提高發(fā)光強(qiáng)度(也就是一般所指的提高亮度)。
LED另一個(gè)重要性能指標(biāo)是發(fā)光效率η，用lm/W來(lái)表達(dá)。30多年來(lái)，LED的發(fā)光效率提高了250倍以上。例如，Cree公司生產(chǎn)的1W白光LED XL7090WHT，其發(fā)光效率可達(dá)60lm/W。
XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封裝的白光LED。XL7090WHT的發(fā)光強(qiáng)度大，電流350mA時(shí)的典型光通量為60lm，在瞬態(tài)脈沖電流700mA時(shí)典型光通量可達(dá)98lm，而目前一般1W白光LED的光通量為30-45lm)；XL7090WHT的發(fā)光效率高達(dá)60lm/W，視角寬達(dá)100°；封裝尺寸僅為9×74.3mm；工作溫度范圍是-20 - +80℃。
由于XL7090WHT發(fā)光強(qiáng)度大、發(fā)光效率高，因此它適用于家庭、商業(yè)或公共場(chǎng)所明、DVD、筆記本電腦、電視機(jī)的彩色顯示屏的背光；廣告燈、路燈及標(biāo)志燈；汽車(chē)及運(yùn)輸工具的內(nèi)外照明及數(shù)碼相機(jī)的閃光燈等。
(2)提高LED功率
我們知道，LED的發(fā)光強(qiáng)度與正向電流IF幾乎成線性關(guān)系，即增加正向電流IF可增加發(fā)光強(qiáng)度。但LED有一個(gè)最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF為正向壓降)，若過(guò)大地增加IF而使PD超過(guò)最大值時(shí)，LED會(huì)過(guò)熱而損壞。為了要提高發(fā)光強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)出中功率LED(一般為幾百mW)，其工作電流也提高到70mA。近年來(lái)，為進(jìn)一步提高發(fā)光強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)出大功率LED，其功率一般為1-10W(有一些還大于10W)。它的工作電流一般為350-700mA，有些可達(dá)1A以上。
