LED發(fā)光二極管最早出現(xiàn)在1962年,距今已有半個多世紀的發(fā)展史。
發(fā)光二極管(英語:Light-Emitting Diode,簡稱LED) 是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體電子元件。這種電子元件早在1962年出現(xiàn),早期只能發(fā)出低光度的紅光,之后發(fā)展出其他單色光的版本,時至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線,光度也提高到相當(dāng)?shù)墓舛取6猛疽灿沙鯐r作為指示燈、顯示板等;隨著技術(shù)的不斷進步,發(fā)光二極管已被廣泛地應(yīng)用于顯示器、電視機采光裝飾和照明。
香檳大學(xué)城有位赫赫有名的發(fā)明家NickHolonyak.1962年發(fā)明第一粒紅光二極體(LED,lightemittingdiodes),這是繼愛迪生發(fā)明電燈之后,最重要的燈光科技大躍進。
早在1907年開始,人們就發(fā)現(xiàn)某些半導(dǎo)體材料制成的二極管在正向?qū)〞r有發(fā)光的物理現(xiàn)象,但生產(chǎn)出有一定發(fā)光效率的紅光LED已是1969年了。1994-1995年人們開發(fā)成功了藍光LED,并在1998年實現(xiàn)了真正商品化。2000-2002年間,研發(fā)人員不斷追求成本效益,使LED成功打入手機背光源市場。到今天,LED已生產(chǎn)了30多年,各種類型的LED、利用LED作二次開發(fā)的產(chǎn)品及與LED配套的產(chǎn)品(如白光LED驅(qū)動器)發(fā)展迅速,新產(chǎn)品不斷上市,并已發(fā)展成為一種新型產(chǎn)業(yè)。
發(fā)光二極管發(fā)展史
①1962年,GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實驗室開發(fā)出了發(fā)紅光的磷砷化鎵(GaAsP)半導(dǎo)體化合物,從此可見光發(fā)光二極管步入商業(yè)化發(fā)展進程。
②1965年,全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生,它是用鍺材料做成的可發(fā)出紅外光的LED,當(dāng)時的單價約為45美元。其后不久,Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化紅色LED。這種LED的效率為每瓦大約0.1流明,比一般的60至100瓦白熾燈的每瓦15流明要低上100多倍。
③1968年,LED的研發(fā)取得了突破性進展,利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦,并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。
④1971,業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED。
⑤到20世紀70年代,由于LED器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用,LED的價格直線下跌。事實上,LED在那個時代主打市場是數(shù)字與文字顯示技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
⑥80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAsLED,它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)出紅光。這一技術(shù)進步使LED能夠應(yīng)用于室外信息發(fā)布以及汽車高位剎車燈(CHMSL)設(shè)備。
⑦1990年,業(yè)界又開發(fā)出了能夠提供相當(dāng)于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術(shù),這比當(dāng)時標(biāo)準(zhǔn)的GaAsP器件性能要高出10倍。
⑧今天,效率最高的LED是用透明襯底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期間,材料技術(shù)、芯片尺寸和外形方面的進一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近30倍。
⑨1994年,日本科學(xué)家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍色發(fā)光二極管,由此引發(fā)了對GaN基LED研究和開發(fā)的熱潮。1996年由日本Nichia公司(日亞)成功開發(fā)出白色LED。
⑩20世紀90年代后期,研制出通過藍光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生白光的LED,但色澤不均勻,使用壽命短,價格高。隨著技術(shù)的不斷進步,近年來白光LED的發(fā)展相當(dāng)迅速,白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)達到38lm/W,實驗室研究成果可以達到70lm/W,大大超過白熾燈,向熒光燈逼近。
LED技術(shù)研發(fā)之路
LED技術(shù)研發(fā)之路,最為人津津樂道的故事,就是開發(fā)藍光LED時,碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩大門派之爭。這也是許多研發(fā)團隊辛勤投入開發(fā)藍光LED元件時,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)果日本一家專門做熒光粉業(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)於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誤決策導(dǎo)致技術(shù)落後而道歉。這位Nakamura的技術(shù)突破,讓氮化鎵(GaN)陣營正式快速超越SiC。原本做熒光粉業(yè)務(wù)的Nichia由於在藍光LED技術(shù)上的成功,使其年營業(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的專利獎勵金是日幣200萬元,經(jīng)過一場官司後,Nichia被判定應(yīng)該給這位研究人員日幣2億元。繼藍光LED技術(shù)突破後,白光LED正式啟動了廣泛的LED應(yīng)用風(fēng)潮,從顯示、指示及手機光源,到正在醞釀中的LCD-TV背光源,各種新機會的大門不斷被創(chuàng)意敲開。
LED是繼1950年代矽(Si)半導(dǎo)體技術(shù)後,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,不同於燈泡需要在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作,因此其壽命也比傳統(tǒng)光源來得更長。
LED所發(fā)出的顏色,主要是取決於電子與空穴結(jié)合所釋放出來的能量高低,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可說是一種數(shù)字化的光源。
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,體積相對小得多。為了使用方便,LED通常都使用樹脂包裝,做成5mm左右的各種形狀,十分堅固耐震。