二极管（6）为什么LED能发光，但是普通二极管不行
作者：朱晓明
LED是被称为"发光二极管"的半导体
名称取自"Light Emitting Diode" 的首字母。1993年基于氮化镓制造出的高亮度蓝色LED实现商用化，随之制造出白色LED，该白色LED作为第4照明光源备受注目。
发光二极管（英语：light-emitting diode，LED）是一种半导体光源，当电流通过它时会发光；即一种电致发光的半导体电子器件，其内电子与电子空穴复合，以光子的形式释放能量。
发光二极管结构的核心部分是p-n结，周边部分有环氧树脂密封其引线与框架以保护内部芯线。当p-n结通以正向电流时，能发射可见或非可见辐射，此辐射为透过三价与五价元素所组成复合光源。
发光二极管只能够往一个方向导通（通电），叫作正向偏置；当电流流过时，电子与空穴（电子空穴）在其内复合而发出单色光，这叫“电致发光效应”；而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。发光二极管具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。
发光二极管于1962年出现时，只能发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用。其后发展出其他单色光的版本，时至今日，能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线，光度亦提高到相当高的程度。随着白光发光二极管的出现，用途已由初期的指示灯及显示板等指示用途，逐渐发展至近年的照明用途。白光LED的发光效率近期亦有所进步，其每千流明成本，因大量资金投入已使价格下降，近年在照明用途上愈趋普及。
1、LED是如何被发明出来的
LED（发光二极管）的发明是一个多阶段的过程，涉及许多科学家的贡献。以下是LED发明的一些关键历史时刻：
1.早期理论和实验：
• 1907年：英国科学家H.J. Round首次观察到半导体材料碳化硅（SiC）在通电时发光。这是第一次记录到半导体材料的电致发光现象。
• 1920年代：俄国科学家Oleg Losev进一步研究了这种现象，并在1927年发表了有关LED原理的论文，但当时并未引起广泛关注。
• 实用LED的开发：
• 1962年：Nick Holonyak Jr.，当时在通用电气（GE）工作的工程师，发明了第一个实用的可见光LED（红光LED）。Holonyak被誉为“LED之父”。
• 1972年：M. George Craford，Holonyak的学生，发明了第一个黄色LED，并大大提高了红色和橙色LED的亮度。他在氮化镓磷（GaAsP）材料的基础上进行了改进，使LED的亮度提高了十倍。
• 1970年代和1980年代：不断发展的技术使得更多颜色的LED问世，包括绿色、黄色和橙色LED。
• 蓝光LED的突破：
• 1990年代：日立和Nichia公司的科学家，特别是Shuji Nakamura，发明了高亮度的蓝光LED。这是使用氮化镓（GaN）材料的重大突破。蓝光LED的发明使得全彩显示器和白光LED成为可能。
• 2014年：Shuji Nakamura、Isamu Akasaki和Hiroshi Amano因在蓝光LED方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖。
• 白光LED的开发：
• 白光LED通常通过将蓝光LED与荧光粉结合来实现。蓝光LED发出的蓝光激发荧光粉，荧光粉再发出黄色光，两者结合产生白光。
LED技术的不断进步不仅在可见光范围内产生了多种颜色的LED，还扩展到紫外线和红外线范围。如今，LED在显示器、照明、指示灯和通信等多个领域都有广泛应用。如果你对某个特定阶段或科学家的工作有更多兴趣，可以告诉我，我会为你提供更详细的信息。
2、为什么LED能发光
发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（阴极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量（光子也即是我们常称呼的光）。
它所发射出的光的波长（颜色）是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于硅和锗是间接带隙材料，在常温下，这些材料内电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，而是把能量转化为热能，所以硅和锗二极管不能发光（在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显）。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，因此能量会以光子形式释放，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。
发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发射出红外线或红光。随着材料科学的进步，新研发成功的发光二极管能够发射出频率越来越高的光波。现今，已可制成各种颜色的发光二极管。
二极管通常建构于N型衬底，在其表面沉积一层P型半导体，用电极连结在一起。P型衬底比较不常见，但也有被使用。很多商业发光二极管，特别是GaN/InGaN，也会使用蓝宝石衬底。
大多数用来制成发光二极管的物质具有非常高的折射率。这意味着大部分光波会在物质与空气的接口会被反射回物质，因此，光波萃取对于发光二极管是很重要的论题，大量研究与发展都聚焦于这论题。
LED（发光二极管）和普通二极管的主要区别在于它们的材料和结构，导致它们在电能转化为光能的效率上有显著不同。以下是一些关键点解释为什么LED能发光，而普通二极管不能：
1.材料不同：LED使用的是III-V族半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、氮化镓（GaN）等。这些材料具有直接带隙（direct bandgap），允许电子直接跃迁并释放光子（光）。普通二极管通常使用硅或锗，这些材料具有间接带隙（indirect bandgap），电子的跃迁主要以释放热能的形式发生，而不是光。
2.结构不同：LED的结构设计是为了优化光的生成和发射。LED通常在p-n结处加入特定的掺杂剂和层结构，以促进光子的产生和释放。而普通二极管的设计是为了优化电流的整流功能，并不注重光的产生。
3.能量带隙：LED的材料具有较大的带隙能量，这意味着电子在跃迁过程中释放的能量足够高，可以以光的形式显现出来。普通二极管的材料带隙能量较小，电子跃迁时主要以热能形式释放。
4.发光机制：当LED的p-n结在正向偏置下，电子从n区移动到p区，与空穴复合，能量以光子的形式释放，产生光。而在普通二极管中，电子和空穴的复合主要以非辐射复合的形式进行，即能量以热的形式释放。
这些差异使得LED可以在工作时发光，而普通二极管则不能。
3、如何提高LED的发光效率？
提高LED（发光二极管）发光效率的方法涉及多个方面，包括材料选择、结构设计和制造工艺。以下是一些主要策略：
1. 优化材料选择
高效发光材料：使用高光效的半导体材料，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）。这些材料具有较大的带隙，可以有效地将电能转换为光能。
掺杂技术：通过掺杂特定的元素（如铝、镓、氮）来调整材料的光学性能，从而提高LED的发光效率。
2. 改进结构设计
优化p-n结设计：通过改进p-n结的结构，优化电子和空穴的复合效率，从而提高发光效率。
光学设计：设计高效的光学结构，如光学透镜和光学腔体，以减少光的损失并提高光的输出。
3. 提高封装技术
光学封装：使用高透光率的封装材料，如硅胶或环氧树脂，以减少光在封装过程中被吸收或散射。
反射层：在LED封装中加入反射层，以反射未能有效发出的光，提高光的整体输出。
4. 改进制造工艺
降低缺陷密度：通过优化制造工艺，减少晶体缺陷和材料杂质，从而提高LED的发光效率和稳定性。
提高量子效率：提高LED芯片的量子效率（QE），即电能转化为光能的比例，减少非辐射复合。
5. 散热管理
改进散热设计：有效的散热管理可以减少LED工作时的温度，防止由于过热而导致的光衰减。使用高导热材料和设计有效的散热结构，如散热片和冷却风扇。
6. 调节电流和驱动方式
适当电流：控制电流，以避免过高电流引起的效率降低。采用恒流驱动可以保持LED在最佳工作状态。
驱动电路优化：优化LED驱动电路的设计，提高电能的转换效率，减少能量损耗。
7. 量子点和荧光粉技术
量子点技术：在LED中引入量子点，可以改善颜色纯度和光效。
荧光粉涂层：对于白光LED，优化荧光粉的配方和涂布工艺，可以提高光效和颜色质量。
4、黄光LED
创新路上，永无止境，江风益从不敢停歇，从“跟”到“追”，再到“超”。2011年，他和团队拓展了研究方向——LED高端装备（MOCVD系统）的研制开发，并于2014年研制成功生产型MOCVD设备（37片机和61片机），其中设备的心脏——反应管实现了自主创新，用此设备生产的硅衬底蓝光LED，其电光转换效率与采用进口设备生产的蓝宝石衬底蓝光LED的国际先进水平持平；2016年，他和团队用此设备研发的黄光LED取得了历史性突破，其电光转换效率达到21.5%，远高于国外公开报道或可查询到的最高水平（9.63%），2019年他们将此光效提高到27.9%；2020年，他们所研制的微红光LED光效国际领先。这些发明创造，使我国LED技术在国际上处于“部分领跑”地位。
