藍(lán)色LED燈
名片
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藍(lán)色發(fā)光二極管是氮化鎵二極管，發(fā)光二極管由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，氮化鎵二極管發(fā)藍(lán)光。
獲諾貝爾獎(jiǎng)
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2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。因發(fā)明“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”，日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學(xué)家中村修二共獲殊榮。發(fā)光二極管的英文簡(jiǎn)稱(chēng)是LED，對(duì)于這個(gè)詞，大多數(shù)國(guó)內(nèi)讀者應(yīng)不會(huì)陌生，因?yàn)長(zhǎng)ED燈已大量應(yīng)用于我國(guó)室內(nèi)外照明等領(lǐng)域，逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明設(shè)備，成為節(jié)能、環(huán)保、智能化照明的代表。
意義
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紅色、綠色發(fā)光二極管在上世紀(jì)中葉已經(jīng)問(wèn)世，但要把發(fā)光二極管用于照明，必須發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管，因?yàn)橛辛思t、綠、藍(lán)三原色后，才能產(chǎn)生照亮世界的白色光源。藍(lán)色發(fā)光二極管的制備技術(shù)困擾了人類(lèi)30多年。
上世紀(jì)80年代，在日本名古屋大學(xué)工作的赤崎勇和天野浩選擇氮化鎵材料，向藍(lán)色發(fā)光二極管這個(gè)世界難題發(fā)起挑戰(zhàn)。1986年，兩人首次制成高質(zhì)量的氮化鎵晶體；1989年首次研發(fā)成功藍(lán)光LED。
從1988年起，當(dāng)時(shí)在日亞化學(xué)公司工作的中村修二也開(kāi)始研發(fā)藍(lán)光二極管。與兩位日本同行一樣，他選擇的也是氮化鎵材料，但在技術(shù)路線(xiàn)上并不相同。上世紀(jì)90年代初，中村修二也研制出了藍(lán)色發(fā)光二極管。與名古屋大學(xué)團(tuán)隊(duì)相比，他發(fā)明的技術(shù)更簡(jiǎn)單，成本也更低。
至此，將LED用于照明的最大技術(shù)障礙已被掃除，被譽(yù)為“人類(lèi)歷史上第四代照明”的LED燈呼之欲出。
按照諾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)的說(shuō)法，這項(xiàng)只有“20歲”的“年輕”發(fā)明之所以獲獎(jiǎng)，是因?yàn)檫@種用全新方式創(chuàng)造的白色光源已經(jīng)“讓我們所有人受益”?！八麄兊陌l(fā)明具有革命性，”聲明說(shuō)，“白熾燈點(diǎn)亮了20世紀(jì)，21世紀(jì)將由LED燈點(diǎn)亮。”
與白熾燈、熒光燈相比，LED能耗更低，壽命更長(zhǎng)，
而且可實(shí)現(xiàn)智能化操控，是節(jié)能環(huán)保的“綠色照明”。因此進(jìn)入市場(chǎng)后，呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。國(guó)家半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心經(jīng)理?xiàng)顫嵪杞榻B，我國(guó)2010年的LED產(chǎn)值是700多億元； 而到了2013年，全年產(chǎn)值猛增到5000多億元。家庭、辦公、道路等各種場(chǎng)所的照明以及絢爛的景觀(guān)燈光，這些市場(chǎng)“主力軍”如今都是LED?！扒皫啄暾劦絃ED，我們需要對(duì)公眾進(jìn)行科普，現(xiàn)在家里裝修，老百姓都會(huì)考慮買(mǎi)這種比傳統(tǒng)節(jié)能燈更節(jié)能的燈具。
原理
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它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于5伏。它的正向伏安特性曲線(xiàn)很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過(guò)二極管的電流。限流電阻R可用下式計(jì)算：
R=（E－UF）/IF
式中E為電源電壓，UF為L(zhǎng)ED的正向壓降，IF為L(zhǎng)ED的正常工作電流。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)
體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱(chēng)LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線(xiàn)，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。
特性
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與白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點(diǎn)是：工作電壓很低（有的僅一點(diǎn)幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制通過(guò)的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。由于有這些特點(diǎn)，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號(hào)顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成7段式半導(dǎo)體數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管可顯示0～9，10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字以及A，B，C，D，E，F(xiàn)等部分字母（必須區(qū)分大小寫(xiě)）。
參數(shù)
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LED的光學(xué)參數(shù)中重要的幾個(gè)方面就是：光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、光強(qiáng)分布、波長(zhǎng)。
發(fā)光效率和光通量
發(fā)光效率就是光通量與電功率之比，單位一般為lm/W。發(fā)光效率代表了光源的節(jié)能特性，這是衡量現(xiàn)代光源性能的一個(gè)重要指標(biāo)。
發(fā)光強(qiáng)度和光強(qiáng)分布
LED發(fā)光強(qiáng)度是表征它在某個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)弱，由于LED在不同的空間角度光強(qiáng)相差很多，隨之而來(lái)我們研究了LED的光強(qiáng)分布特性。這個(gè)參數(shù)實(shí)際意義很大，直接影響到LED顯示裝置的最小觀(guān)察角度。比如體育場(chǎng)館的LED大型彩色顯示屏，如果選用的LED單管分布范圍很窄，那么面對(duì)顯示屏處于較大角度的觀(guān)眾將看到失真的圖像。而且交通標(biāo)志燈也要求較大范圍的人能識(shí)別。
波長(zhǎng)
對(duì)于LED的光譜特性我們主要看它的單色性是否優(yōu)良，而且要注意到紅、黃、藍(lán)、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。因?yàn)樵谠S多場(chǎng)合下，比如交通信號(hào)燈對(duì)顏色就要求比較嚴(yán)格，不過(guò)據(jù)觀(guān)察我國(guó)的一些LED信號(hào)燈中綠色發(fā)藍(lán)，紅色的為深紅，從這個(gè)現(xiàn)象來(lái)看我們對(duì)LED的光譜特性進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究是非常必要而且很有意義的。
光源特點(diǎn)
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電壓
LED使用低壓電源，供電電壓在直流3-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，也有少數(shù)DC36V、DC40V等，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。
效能
消耗能量較同光效的白熾燈減少80%左右，較節(jié)能燈減少40%左右。
適用性
體積很小，每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境
穩(wěn)定性
10萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的50%
響應(yīng)時(shí)間
其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)
環(huán)境污染
不含有害金屬汞等
顏色
發(fā)光二極管方便地通過(guò)化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度，實(shí)現(xiàn)紅黃綠藍(lán)橙多色發(fā)光。紅光管工作電壓較小，顏色不同的紅、橙、黃、綠、藍(lán)的發(fā)光二極管的工作電壓依次升高。
價(jià)格
LED的價(jià)格越來(lái)越平民化，因LED省電的特性，也許不久的將來(lái)，人們都會(huì)把白熾燈換成LED燈。我國(guó)部分城市公路、學(xué)校、廠(chǎng)區(qū)等場(chǎng)所已換裝完LED路燈、節(jié)能燈等。
種類(lèi)發(fā)展
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最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問(wèn)世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。
70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。
90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開(kāi)發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λp=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達(dá)到50流明/瓦。
單色光LED的應(yīng)用
最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來(lái)各種光色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國(guó)本來(lái)是采用長(zhǎng)壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。
汽車(chē)信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國(guó)開(kāi)始在汽車(chē)上安裝高位剎車(chē)燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），可以及早讓尾隨車(chē)輛的司機(jī)知道行駛狀況，減少汽車(chē)追尾事故的發(fā)生。
另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。
優(yōu)點(diǎn)
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一、體積小
LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹(shù)脂里面，所以它非常的小，非常的輕。
二、電壓低
LED耗電相當(dāng)?shù)?，一般?lái)說(shuō)LED的工作電壓是2-3.6V。只需要極微弱電流即可正常發(fā)光。
三、使用壽命長(zhǎng)
在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?，LED的使用壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。
四、高亮度、低熱量
LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比同等功率普通照明燈具低很多。
五、環(huán)保
LED是由無(wú)毒的材料構(gòu)成，不像熒光燈含水銀會(huì)造成污染，同時(shí)LED也可以回收再利用。
應(yīng)用
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在LED于20世紀(jì)60年代問(wèn)世到80年代之前這10多年中，LED只有紅、黃、綠幾種顏色，發(fā)光效率很低(僅約1 lm/W)，亮度比較低，而且價(jià)格高，人們只是將其用作電子產(chǎn)品的指示燈。從LED發(fā)展和應(yīng)用歷程上看，這一時(shí)期為L(zhǎng)ED的指示應(yīng)用階段。
1 交流電源指示燈
。該電路只要連接220V/50Hz的交流供電線(xiàn)路，LED就會(huì)被點(diǎn)亮，指示電源接通。限流電阻R的阻值為220V/IF。
2 交流開(kāi)關(guān)指示燈
用LED作白熾燈開(kāi)關(guān)指示燈的電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)燈泡熄滅時(shí)，電流經(jīng)R、LED 和燈泡EL形成回路，LED亮，方便人們?cè)诤诎抵姓业介_(kāi)關(guān)。此時(shí)曲于回路中的電流很小，燈泡是不會(huì)亮的。當(dāng)接通開(kāi)關(guān)時(shí)，燈泡被點(diǎn)亮，而LED則熄滅。
3 交流電源插座指示燈
用雙色(共陰極) LED作交流電源插座指示燈的電路。插座的供電由開(kāi)關(guān)S控制。當(dāng)紅光LED亮?xí)r，插座無(wú)電;當(dāng)綠光LED亮?xí)r，插座有電。
4 保險(xiǎn)管座指示燈
LED用作工廠(chǎng)設(shè)備配電箱保險(xiǎn)管座指示燈的電路。當(dāng)保險(xiǎn)管完好時(shí)，LED不亮;當(dāng)保險(xiǎn)管熔斷時(shí)，LED會(huì)被點(diǎn)亮，以指示用戶(hù)是哪一個(gè)熔斷器已被燒斷，以便更換。這對(duì)于用肉眼無(wú)法觀(guān)察好壞的瓷芯式熔斷器來(lái)說(shuō)是非常方便的。
提問(wèn)者：wy8719
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提問(wèn)時(shí)間：06-18 16:33
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