半导体发光二极管及其各领域的应用

2016-07-16朱式业吉首大学

科学中国人 2016年32期

关键词：载流子全彩二极管

朱式业吉首大学

半导体发光二极管及其各领域的应用

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作为常见的发光元器件，半导体发光二极管的应用范围较广。基于这种情况，本文对半导体发光二极管的发光原理展开了分析，然后对其在各领域的应用情况及原理展开了探讨，以期为关注这一话题的人们提供参考。

半导体发光二极管；发光原理；应用领域

引言

作为体积小、反应灵敏和用电量少的发光元器件，半导体发光二极管的混光性和指示性较强。使用不同的发光材料进行半导体发光二极管的制作，就可以发出不同颜色的光。除此之外，半导体发光二极管还具有寿命长、发光效率高和环保耐用等优点，所以能够在多个领域得到应用。

1 半导体发光二极管的基本原理

从本质上来讲，发光二极管就是光发射二极管，是一种属于固态光源的半导体发光器件。不同于过去的发光二极管，半导体发光二极管的光通量相对较大，不仅能够在电器仪表上作为指示灯，还能够在多个领域得到应用。目前，越来越多的管芯材料得以被研发出来，而包含驱动电路技术、封装技术在内的一系列技术也得到了发展，所以发光二极管的光色种类也越来越多，光能力和发光效率也得到了提高。

从发光原理上来看，半导体发光二极管使用的导体有两种，被划分为P型半导体和N型半导体。其中，占主导地位的为P型半导体空穴，N型半导体则具有自由电子。对比两种半导体可以发现，P型半导体可以利用空穴导电，空穴多数都是载流子，自由电子将成为少量载流子。而N型半导体电子则会变为多数载流子，硅原子将成为少量载流子。在二者之间，存在有过渡层，被称之为P-N结。在该位置有正向电流通过的情况下，电子会向着P区移动，并且与空穴复合。在复合后，则会以光子形式发出能量。光的颜色与波长有关，而波长则取决于半导体过渡层的P-N结材料。在经过P-N结的电流增大的情况下，二极管的发光亮度也会增加，而二其发出的光其实就是一种自发辐射。如果进行反向电压的施加，就会阻碍少数载流子的进入，从而影响二极管发光。

2 半导体发光二极管在各领域的应用及原理

2.1 在显示领域的应用及原理

在显示领域，半导体发光二极管一般以矩阵形式排列。而显示屏幕会由多个大小不等的模块组成，也可以是由多个发光二极管构成的集束管。在显示屏幕上，这些集束管将成为像素，经过拼装，并完成专门显示电路的配装，则能够构成半导体发光二极管显示屏。根据颜色，可以将这类屏幕划分为单色屏、双色屏和全彩显示屏，能够发出不同颜色的光。所以在显示领域，半导体发光二极管不仅可以作为仪表上的显示灯，还可以作为显示屏应用。使用全彩显示屏，可以进行各种颜色的图形文字显示，并且能完成视频和3D动画图像的显示。因此就目前来看，全彩显示屏在公共场所得到了广泛使用。而在数字手表和袖珍计算器等设备上，半导体发光二极管也被用作为数字显示。

2.2 在背光领域的应用及原理

在小尺寸的液晶面板上，半导体发光二极管可以提供光源，这些光源可以被当成是背光源。因为，半导体发光二极管具有一定的节能性，可以通过组合排列构成面板、按键。相较于冷阴极荧光管，使用半导体发光二极管提供背光源，可以节约一半的电能，还能够避免出现重金属贡辐射问题，所以能够为人们的身体健康提供保障[1]。目前，在电脑、智能手机等电器上，半导体发光二极管得到了广泛的使用。例如，一部手机上的面板将由几十个发光二极管构成，能够为设备提供足够的光源。

2.3 在照明领域的应用及原理

在照明领域，半导体发光二极管一般被当成是景观灯使用。通常的情况下，景观灯都是利用白色发光二极管构成的，因为这类二极管具有功率小和光效低的特点，能够较好的节能。在景观灯饰制造方面，半导体发光二极管将会被制成颜色绚丽的景观灯。通过将各种光色的半导体发光二极管组合在一起，就能够展现出丰富的颜色，从而达成改善环境的目的，并且有效节省景观灯的制作成本。此外，半导体发光二极管也常常被制作成建筑的诱导灯，能够进行柔和颜色的展现，从而实现良好氛围的营造。就现阶段而言，在城市园林、广场等位置，都可以发现半导体发光二极管。

2.4 在装饰领域的应用及原理

在装饰市场上，半导体发光二极管也得到了广泛应用。从原理上来看，就是利用不同发光二极管子系统构成一个装饰照明系统，然后利用标准CPU控制模块进行各子系统的控制[2]。而这些模块包含电源转换模块、全彩发光驱动模块等，需要利用标准接口进行各模块和部件的衔接，然后利用计算机软件进行控制程序的设定，从而使装饰照明系统显现出想要的艺术效果。就目前来看，在庭院装饰、休闲娱乐、展示厅、室内装饰等多个方面，由半导体二极管构成的装饰照明都得到了应用，能够完成特有视觉效果的打造，从而使人们对照明的个性化需求得到满足。

2.5 在汽车领域的应用及原理

在汽车照明领域，半导体发光二极管也得到了应用。在汽车外端照明上，大功率半导体发光二极管得到了应用，如刹车灯、方向等和尾灯等。在汽车仪表盘和电器开关制作方面，则使用了发光二极管作为指示灯。之所以能够在汽车照明上得到应用，主要是由于半导体发光二极管具有较强的抗机械冲击和振动的特点，能够在汽车的各个部位得到应用[3]。此外，随着相关技术的发展，半导体发光二极管的性价比也在逐步提高。而相较于其他照明元器件，半导体二极管的产能较大，所以能够在汽车生产中得到广泛使用。