過(guò)去幾十年帶來(lái)了持續(xù)且快速發(fā)展的技術(shù)革命序列，特別是在數(shù)字領(lǐng)域，這極大地改變了我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。發(fā)光二極管（led）制造商之間的發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)有望產(chǎn)生迄今為止和深遠(yuǎn)的過(guò)渡。這些微型半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造的進(jìn)展可能導(dǎo)致普通燈泡的過(guò)時(shí)，這可能是現(xiàn)代社會(huì)使用的的裝置。
白熾燈是托馬斯愛(ài)迪生的主要發(fā)明中著名的，也是一個(gè)堅(jiān)持使用（并且?guī)缀跻云湓夹问剑┲两?，現(xiàn)在已經(jīng)推出一個(gè)多世紀(jì)的白熾燈。在過(guò)去的幾十年里，留聲機(jī)，紙巾機(jī)和油印機(jī)已經(jīng)被數(shù)字技術(shù)取代，近，全光譜發(fā)光二極管設(shè)備正在變得普及，并且可能迫使白熾燈和熒光燈熄滅。雖然led技術(shù)的一些應(yīng)用可能與將一個(gè)燈泡替換為另一個(gè)燈泡一樣簡(jiǎn)單，但更有遠(yuǎn)見(jiàn)的變化可能涉及利用光的戲劇性新機(jī)制。由于預(yù)測(cè)的演變，墻壁，天花板甚至整個(gè)建筑物都可能成為專(zhuān)業(yè)照明場(chǎng)景的目標(biāo)，室內(nèi)設(shè)計(jì)的變化可能是通過(guò)照明效果而不是通過(guò)重新粉刷或重新裝修來(lái)實(shí)現(xiàn)的。至少，從白熾燈到led照明的廣泛變化將導(dǎo)致巨大的節(jié)能效果。
雖然發(fā)光二極管在我們周?chē)囊曨l盒式錄像機(jī)，時(shí)鐘收音機(jī)和微波爐中運(yùn)行，但它們的使用主要限于電子設(shè)備上的顯示功能。計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備上的微小紅色和綠色指示燈非常熟悉，個(gè)led限于暗紅色輸出的事實(shí)可能沒(méi)有被廣泛認(rèn)可。實(shí)際上，即使是綠色發(fā)光二極管的可用性也代表了該技術(shù)的重要發(fā)展步驟。在過(guò)去15年左右的時(shí)間里，led變得更加強(qiáng)大，并且有多種顏色可供選擇。在20世紀(jì)90年代早期制造個(gè)藍(lán)色led的突破，在紅色可見(jiàn)光譜的另一端發(fā)光，開(kāi)辟了創(chuàng)造幾乎任何顏色的光的可能性。更重要的是，這一發(fā)現(xiàn)使得從微小的半導(dǎo)體器件產(chǎn)生白光在技術(shù)上是可行的。廉價(jià)的大眾市場(chǎng)白光led是研究人員和制造商的目標(biāo)，也是可能結(jié)束百年對(duì)低效白熾燈的依賴(lài)的設(shè)備。
用于普通照明的二極管器件的廣泛使用還需要幾年時(shí)間，但led在許多應(yīng)用中開(kāi)始取代白熾燈。用現(xiàn)代半導(dǎo)體替代品代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾光源有許多原因。發(fā)光二極管比白熾燈泡在將電能轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光方面效率更高，它們堅(jiān)固耐用且結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命通常可達(dá)100,000小時(shí)，比白熾燈泡長(zhǎng)約100倍。led基本上是單色發(fā)射器，并且需要高亮度單色燈的應(yīng)用在當(dāng)前一代改進(jìn)的器件中經(jīng)歷了多的應(yīng)用。對(duì)于汽車(chē)尾燈，轉(zhuǎn)向燈和側(cè)標(biāo)志燈，led的使用正在增加。作為*汽車(chē)應(yīng)用之一，汽車(chē)和卡車(chē)上的高位制動(dòng)燈是整合led的一個(gè)特別吸引人的地方。長(zhǎng)led壽命允許制造商更自由地將制動(dòng)燈集成到車(chē)輛設(shè)計(jì)中，而無(wú)需提供頻繁（和容易）更換，如使用白熾燈泡時(shí)所需。
現(xiàn)在，美國(guó)約有10％的紅色交通信號(hào)燈被led燈取代。led的較高初始成本可以在短短一年內(nèi)恢復(fù)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诋a(chǎn)生紅光方面具有更高的效率，這是在不需要過(guò)濾的情況下完成的。紅色交通燈中的led消耗大約10至25瓦特，而相似亮度的紅色濾光白熾燈消耗大約50至150瓦特。led的壽命在減少昂貴的信號(hào)維護(hù)方面是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。單色led也被用作機(jī)場(chǎng)的跑道燈和無(wú)線電和電視傳輸塔的警示燈。
隨著制造效率和生產(chǎn)幾乎任何輸出顏色的發(fā)光二極管的能力的提高，研究人員和工業(yè)的主要焦點(diǎn)已成為白光二極管。正在采用兩種主要機(jī)制從基本上是單色的裝置產(chǎn)生白光，并且這兩種技術(shù)很可能繼續(xù)用于不同的應(yīng)用。一種方法涉及混合來(lái)自多個(gè)led的不同顏色的光，或來(lái)自單個(gè)led中的不同材料的光，其比例導(dǎo)致呈現(xiàn)白色的光。第二種技術(shù)依賴(lài)于使用led發(fā)射（通常是不可見(jiàn)的紫外線）來(lái)提供激發(fā)另一種物質(zhì)（例如磷光體）的能量，該另一種物質(zhì)又產(chǎn)生白光。
半導(dǎo)體二極管的基礎(chǔ)知識(shí)在隨后的討論中提出了發(fā)光二極管功能的基本過(guò)程的細(xì)節(jié)，以及在其構(gòu)造中使用的材料。然而，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的概念描述來(lái)概括led產(chǎn)生光的基本機(jī)制。熟悉的燈泡依靠溫度通過(guò)稱(chēng)為白熾的過(guò)程發(fā)出可見(jiàn)光（以及以熱量形式顯著更不可見(jiàn)的輻射）。相反，發(fā)光二極管采用電致發(fā)光的形式，其由半導(dǎo)體材料的電子激發(fā)產(chǎn)生?；镜膌ed由的結(jié)在兩種不同的半導(dǎo)體材料之間（如圖2所示），其中施加的電壓產(chǎn)生電流，當(dāng)在結(jié)上注入的電荷載流子重新結(jié)合時(shí)伴隨著光的發(fā)射。
led的基本元件是半導(dǎo)體芯片（類(lèi)似于集成電路），其安裝在由連接到兩根電線的引線框支撐的反射杯中，然后嵌入固體環(huán)氧樹(shù)脂透鏡中（見(jiàn)圖1）。包括芯片中的結(jié)的兩個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域之一由負(fù)電荷（n型區(qū)域;圖2））支配，而另一個(gè)由正電荷（p型區(qū)域）支配。當(dāng)向電引線施加足夠的電壓時(shí)，電流流動(dòng)并且電子從n區(qū)域移動(dòng)到p區(qū)域帶負(fù)電的電子與正電荷結(jié)合的區(qū)域。每種電荷組合與能量水平降低相關(guān)聯(lián)，能量水平降低可以以光子的形式釋放一定量的電磁能量。發(fā)射光子的頻率和感知顏色是半導(dǎo)體材料的特征，因此，通過(guò)改變芯片的半導(dǎo)體組成可以實(shí)現(xiàn)不同的顏色。
發(fā)光二極管的功能細(xì)節(jié)基于半導(dǎo)體材料（例如硅）的共同特性，其具有可變的傳導(dǎo)特性。為了使固體導(dǎo)電，其電阻必須足夠低，以使電子在整個(gè)材料中或多或少地自由移動(dòng)。半導(dǎo)體表現(xiàn)出介于導(dǎo)體和絕緣體之間的電阻值，并且它們的行為可以根據(jù)固體的能帶理論建模。在結(jié)晶固體中，組成原子的電子占據(jù)大量的能級(jí)，這些能級(jí)在能量或量子數(shù)方面可能差別很小。廣泛的能量水平傾向于組合成幾乎連續(xù)的能帶，
隨著能量水平逐漸升高，從核向外進(jìn)行，可以定義兩個(gè)不同的能帶，稱(chēng)為價(jià)帶和導(dǎo)帶（圖3）。價(jià)帶由比內(nèi)電子更高能級(jí)的電子組成，并且它們具有一些成對(duì)相互作用的自由度，以在固體原子之間形成一種局部鍵。在更高的能級(jí)下，導(dǎo)帶的電子表現(xiàn)得與單個(gè)原子中的電子或在基態(tài)以上激發(fā)的分子中的電子相似，在固體內(nèi)移動(dòng)的自由度很高。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差異被定義為特定材料的帶隙。
在導(dǎo)體中，價(jià)帶和導(dǎo)帶在能量上部分重疊（見(jiàn)圖3），因此一部分價(jià)電子總是位于導(dǎo)帶中。對(duì)于這些材料，帶隙基本上為零，并且部分價(jià)電子自由地移動(dòng)到導(dǎo)帶中，在價(jià)帶中出現(xiàn)空位或空穴。電子以很少的能量輸入移動(dòng)到相鄰原子帶中的空穴中，并且空穴在相反方向上自由移動(dòng)。與這些材料相比，絕緣體具有*占據(jù)的價(jià)帶和更大的帶隙，并且電子可以從原子移動(dòng)到原子的機(jī)制是使價(jià)電子移位到導(dǎo)帶中，需要大的能量消耗。
半導(dǎo)體具有小但有限的帶隙，并且在常溫下，熱攪動(dòng)足以將一些電子移動(dòng)到導(dǎo)帶中，在那里它們可以促進(jìn)導(dǎo)電。可以通過(guò)提高溫度來(lái)降低電阻，但是許多半導(dǎo)體器件以這樣的方式設(shè)計(jì)：電壓的施加在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間產(chǎn)生所需的電子分布變化以使電流流動(dòng)。盡管所有半導(dǎo)體的帶排列相似，但在特定溫度條件下帶隙（以及帶間電子分布）存在很大差異。
元素硅是的本征半導(dǎo)體，并且通常用作描述這些材料的行為的模型。在其純凈形式中，硅不具有足夠的電荷載流子或適當(dāng)?shù)膸督Y(jié)構(gòu)，可用于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，但廣泛用于制造其他半導(dǎo)體器件。硅（和其他半導(dǎo)體）的傳導(dǎo)特性可以通過(guò)向晶體中引入少量雜質(zhì)來(lái)改善，其用于在結(jié)構(gòu)中提供額外的電子或空位（空穴）。通過(guò)這種被稱(chēng)為摻雜的過(guò)程，集成電路的生產(chǎn)者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相當(dāng)大的能力來(lái)定制半導(dǎo)體的特性以適應(yīng)特定的應(yīng)用。
通過(guò)考慮相對(duì)簡(jiǎn)單的硅晶體結(jié)構(gòu)，容易理解摻雜以改變半導(dǎo)體的電子特性的過(guò)程。硅是元素周期表中的第iv族成員，具有四個(gè)電子，可以參與與固體中的相鄰原子的鍵合。在純形式中，每個(gè)硅原子與四個(gè)鄰居共享電子，沒(méi)有超過(guò)晶體結(jié)構(gòu)所需的電子的缺陷或過(guò)量。如果少量的第iii組將元素（在其外層能級(jí)具有三個(gè)電子的元素）添加到硅結(jié)構(gòu)中，存在不足數(shù)量的電子以滿(mǎn)足鍵合要求。電子缺陷在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生空位或空穴，并且所得到的正電特性將材料分類(lèi)為p型。硼是通常用于摻雜純硅以實(shí)現(xiàn)p型特性的元素之一。
摻雜以產(chǎn)生具有負(fù)的總電荷特性（n型）的相反類(lèi)型的材料是通過(guò)添加諸如磷的v族元素來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其在其外層能級(jí)中具有“額外”電子。得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在共價(jià)硅鍵合所需的數(shù)量上具有過(guò)量的可用電子，這賦予了作為電子供體（n型材料的特征）的能力。
盡管硅和鍺通常用于半導(dǎo)體制造，但是這兩種材料都不適用于發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴捎眠@些元件的結(jié)產(chǎn)生大量的熱量，但僅產(chǎn)生少量的紅外或可見(jiàn)光發(fā)射。光子發(fā)射二極管pn結(jié)通?；趇ii族和v族元素的混合物，例如砷化鎵，磷化鎵砷和磷化鎵。仔細(xì)控制這些化合物的相對(duì)比例，以及摻入鋁和銦的其他化合物，以及添加諸如碲和鎂的摻雜劑，使制造商和研究人員能夠生產(chǎn)發(fā)出紅色，橙色，黃色或綠色光的二極管。近，使用碳化硅和氮化鎵已經(jīng)允許引入藍(lán)色發(fā)光二極管，并且以各種組合組合幾種顏色提供了產(chǎn)生白光的機(jī)制。包括器件結(jié)的p型和n型側(cè)面的材料的性質(zhì)，以及由此產(chǎn)生的能帶結(jié)構(gòu)，確定在結(jié)區(qū)域中的電荷重組期間可用的能級(jí)，并因此確定作為光子釋放的能量子的大小。結(jié)果，由特定二極管發(fā)射的光的顏色取決于pn結(jié)的結(jié)構(gòu)和組成。
操縱固態(tài)電子器件特性的基本關(guān)鍵是pn結(jié)的性質(zhì)。當(dāng)不同的摻雜材料彼此接觸時(shí)，結(jié)的區(qū)域中的電流流動(dòng)不同于單獨(dú)的兩種材料中的任一種。電流將很容易在一個(gè)方向上流過(guò)結(jié)，而不是在另一個(gè)方向上，構(gòu)成基本二極管配置?？梢愿鶕?jù)兩種材料類(lèi)型中的電子和空穴的移動(dòng)以及跨越結(jié)的這種行為來(lái)理解這種行為。n型材料中的額外自由電子傾向于從帶負(fù)電的區(qū)域移動(dòng)到帶正電的區(qū)域，或朝向p型材料。在具有空位電子位置（空穴）的p型區(qū)域中，晶格電子可以從一個(gè)孔跳到另一個(gè)孔，并將傾向于遠(yuǎn)離帶負(fù)電的區(qū)域。這種遷移的結(jié)果是孔看起來(lái)沿相反方向移動(dòng)，或者遠(yuǎn)離帶正電的區(qū)域并朝向帶負(fù)電的區(qū)域移動(dòng)（圖4）。來(lái)自n型區(qū)域的電子和來(lái)自p型區(qū)域的空穴在結(jié)的附近復(fù)合，形成a耗盡區(qū)（或?qū)樱?，其中不存在電荷載流子。在耗盡區(qū)中，建立靜電荷，其抑制任何額外的電子轉(zhuǎn)移，并且除非由外部偏置電壓輔助，否則沒(méi)有明顯的電荷可以流過(guò)結(jié)。
在二極管配置中，器件相對(duì)端上的電極使得能夠以能夠克服耗盡區(qū)的影響的方式施加電壓。將二極管的n型區(qū)域連接到電路的負(fù)側(cè)，將p型區(qū)域連接到正側(cè)，將使電子從n型材料向p型移動(dòng)，并使空穴移入相反的方向。通過(guò)施加足夠高的電壓，耗盡區(qū)中的電子能量升高以與空穴解離，并開(kāi)始自由移動(dòng)。用這種電路極性操作，稱(chēng)為正向偏置在pn結(jié)中，耗盡區(qū)消失，電荷可以在二極管上移動(dòng)。孔從p型材料驅(qū)動(dòng)到結(jié)，并且電子從n型材料被驅(qū)動(dòng)到結(jié)。結(jié)處的空穴和電子的組合允許在二極管上保持連續(xù)電流。
如果電路極性相對(duì)于p型和n型區(qū)域反轉(zhuǎn)，則電子和空穴將被拉向相反的方向，伴隨著結(jié)的耗盡區(qū)域的擴(kuò)大。在反向偏置的 pn結(jié)中不會(huì)發(fā)生連續(xù)的電流流動(dòng)，盡管初瞬態(tài)電流將隨著電子和空穴被拉離結(jié)而流動(dòng)。一旦增長(zhǎng)的耗盡區(qū)產(chǎn)生等于施加電壓的電位，電流將停止。
發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)在pn結(jié)處操縱電子和空穴之間的相互作用是所有半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并且對(duì)于發(fā)光二極管，主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是有效地產(chǎn)生光?？缭絧n結(jié)注入載流子伴隨著從導(dǎo)帶到較低軌道的電子能級(jí)下降。該過(guò)程在任何二極管中進(jìn)行，但僅在具有特定材料成分的光子中產(chǎn)生可見(jiàn)光光子。在標(biāo)準(zhǔn)硅二極管中，能級(jí)差相對(duì)較小，并且僅發(fā)生低頻發(fā)射，主要發(fā)生在光譜的紅外區(qū)域。紅外二極管在許多設(shè)備中都很有用，包括遙控器，但是可見(jiàn)光發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)需要使用在價(jià)帶的導(dǎo)帶和軌道之間表現(xiàn)出更寬間隙的材料來(lái)制造。所有半導(dǎo)體二極管都釋放某種形式的光，但大部分能量被吸收到二極管材料本身，除非該器件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光發(fā)射集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及l(fā)ed外殼的設(shè)計(jì)都有助于從器件發(fā)射能量的性質(zhì)和效率。但是大部分能量都被吸收到二極管材料中，除非該器件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光發(fā)射集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及l(fā)ed外殼的設(shè)計(jì)都有助于從器件發(fā)射能量的性質(zhì)和效率。但是大部分能量都被吸收到二極管材料中，除非該器件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于從外部釋放光子。另外，為了用作光源，二極管必須將光發(fā)射集中在特定方向上。半導(dǎo)體芯片的組成和結(jié)構(gòu)以及l(fā)ed外殼的設(shè)計(jì)都有助于從器件發(fā)射能量的性質(zhì)和效率。
發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體材料（通常稱(chēng)為管芯），其上放置管芯的引線框架，以及圍繞組件的封裝環(huán)氧樹(shù)脂（參見(jiàn)圖1）。led半導(dǎo)體芯片被支撐在反射器杯中，該反射器杯被壓印到一個(gè)電極（陰極）的端部中，并且在典型配置中，芯片的頂面通過(guò)金鍵合線連接到第二電極（陽(yáng)極）。）。幾種結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要兩根鍵合線，每根電極一根。除了不同led的輻射波長(zhǎng)的明顯變化之外，還存在形狀，尺寸和輻射圖案的變化。典型的led半導(dǎo)體芯片尺寸約為0.25平方毫米，環(huán)氧樹(shù)脂體的直徑范圍為2至約10毫米。見(jiàn)的是，led的主體是圓形的，但它們可以是矩形，正方形或三角形。
盡管從半導(dǎo)體管芯發(fā)射的光的顏色由芯片材料的組合以及它們的組裝方式確定，但是led的某些光學(xué)特性可以通過(guò)芯片封裝中的其他變量來(lái)控制。光束角度可以是窄的或?qū)挼模ㄒ?jiàn)圖5），并且由反射杯的形狀，led芯片的尺寸，芯片到環(huán)氧樹(shù)脂外殼或透鏡頂部的距離以及幾何形狀決定。環(huán)氧樹(shù)脂鏡片。環(huán)氧樹(shù)脂鏡片的色調(diào)并不決定led的發(fā)光顏色，但通常用作燈泡不活動(dòng)時(shí)方便指示燈的顏色。用于需要高強(qiáng)度且在關(guān)閉狀態(tài)下無(wú)顏色的應(yīng)用的led具有透明透鏡，沒(méi)有色調(diào)或擴(kuò)散。這種類(lèi)型產(chǎn)生大的光輸出，并且可以設(shè)計(jì)成具有窄的光束或視角。非漫射透鏡通常呈現(xiàn)正或負(fù)10至12度的視角（圖5）。它們的強(qiáng)度允許它們用于背光應(yīng)用，例如電子設(shè)備上的顯示面板的照明。
為了產(chǎn)生漫射led透鏡，將微小玻璃顆粒嵌入封裝環(huán)氧樹(shù)脂中。通過(guò)包含玻璃產(chǎn)生的擴(kuò)散擴(kuò)散了二極管發(fā)出的光，在中心軸的兩側(cè)產(chǎn)生大約35度的視角。這種透鏡類(lèi)型通常用于直接觀察led的應(yīng)用中，例如用于設(shè)備面板上的指示燈。
led構(gòu)造中的材料系統(tǒng)和制造技術(shù)的選擇由兩個(gè)主要目標(biāo)指導(dǎo) - 芯片材料中光產(chǎn)生的大化以及所產(chǎn)生的光的有效提取。在正向偏置的pn結(jié)中，空穴從p區(qū)域注入到n區(qū)域的結(jié)中，并且電子從n區(qū)域注入p區(qū)域。通過(guò)該注入過(guò)程改變材料中的平衡電荷載流子分布，這被稱(chēng)為少數(shù)載流子注入。用多數(shù)載流子重組少數(shù)載流子以重建熱平衡，并且持續(xù)的電流保持少數(shù)載流子注入。當(dāng)重組率等于注入速率時(shí)，建立穩(wěn)態(tài)載流子分布。少數(shù)載流子復(fù)合可以以輻射方式發(fā)生，伴隨著光子的發(fā)射，但為此必須建立適當(dāng)?shù)臈l件以保持能量和動(dòng)量。滿(mǎn)足這些條件不是瞬時(shí)過(guò)程，并且在注入的少數(shù)載流子的輻射復(fù)合可以發(fā)生之前產(chǎn)生時(shí)間延遲。這種延遲，即少數(shù)載流子壽命，是led材料設(shè)計(jì)中必須考慮的主要變量之一。
雖然輻射復(fù)合工藝在led設(shè)計(jì)中是理想的，但它不是半導(dǎo)體中可能的復(fù)合機(jī)制。如果沒(méi)有一些雜質(zhì)，結(jié)構(gòu)位錯(cuò)和其他晶體缺陷，則不能生產(chǎn)半導(dǎo)體材料，并且這些都可以捕獲注入的少數(shù)載流子。這種類(lèi)型的重組可以產(chǎn)生或不產(chǎn)生光子。通過(guò)載體擴(kuò)散到合適的位置減慢了不產(chǎn)生輻射的重組，并且其特征在于非輻射過(guò)程壽命，其可以與輻射過(guò)程壽命相比較。
考慮到剛才描述的因素，led設(shè)計(jì)中的一個(gè)明顯目標(biāo)是大化電荷載流子相對(duì)于非輻射的輻射復(fù)合。這兩個(gè)過(guò)程的相對(duì)效率決定了與注入總數(shù)相比輻射組合的注入電荷載流子的比例，這可以表示為材料系統(tǒng)的內(nèi)部量子效率。用于led制造的材料的選擇依賴(lài)于對(duì)半導(dǎo)體帶結(jié)構(gòu)的理解以及可以選擇或操縱能級(jí)以產(chǎn)生有利的量子效率值的手段。有趣的是，某些iii-v族化合物的內(nèi)部量子效率接近100％，而半導(dǎo)體中使用的其他化合物的內(nèi)部量子效率可低至1％。
特定半導(dǎo)體的輻射壽命很大程度上決定了輻射復(fù)合是否在非輻射之前發(fā)生。大多數(shù)半導(dǎo)體具有相似的簡(jiǎn)單價(jià)帶結(jié)構(gòu)，能量峰位于特定的晶體結(jié)構(gòu)方向附近，但導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)的變化更大。能帶谷存在于導(dǎo)帶中，并且占據(jù)低能量谷的電子被定位成更容易參與價(jià)帶中的少數(shù)載流子的再結(jié)合。半導(dǎo)體可分為直接或間接取決于導(dǎo)帶能量谷的相對(duì)位置和價(jià)帶在能量/動(dòng)量空間中的能量頂點(diǎn)。直接半導(dǎo)體具有在相同動(dòng)量坐標(biāo)處直接相鄰的空穴和電子，因此電子和空穴可以相對(duì)容易地重新組合，同時(shí)保持動(dòng)量守恒。在間接半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶能量谷和允許動(dòng)量守恒的空穴之間的匹配是不利的，大多數(shù)轉(zhuǎn)變是被禁止的，并且所產(chǎn)生的輻射壽命很長(zhǎng)。
硅和鍺是間接半導(dǎo)體的例子，其中注入載流子的輻射復(fù)合極不可能。這種材料中的輻射壽命發(fā)生在幾秒的范圍內(nèi)，并且?guī)缀跛凶⑷氲妮d流子都通過(guò)晶體中的缺陷非輻射地結(jié)合。直接半導(dǎo)體，例如氮化鎵或砷化鎵，具有短的輻射壽命（約1至100納秒），并且可以以足夠低的缺陷密度生產(chǎn)材料，使得輻射過(guò)程與非輻射過(guò)程一樣可能。對(duì)于在間接間隙材料中發(fā)生的重組事件，電子必須在與空穴結(jié)合之前改變其動(dòng)量，導(dǎo)致出現(xiàn)帶 - 帶轉(zhuǎn)變的重組概率顯著降低。由兩種類(lèi)型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的led所呈現(xiàn)的量子效率清楚地反映了這一事實(shí)。與典型的碳化硅led的0.02％相比，氮化鎵led的量子效率高達(dá)12％。圖6給出了直接帶隙gan和間接帶隙sic的能帶圖，說(shuō)明了兩種材料的帶間能量躍遷的性質(zhì)。
在pn結(jié)上注入的載流子的輻射復(fù)合中發(fā)射的光的波長(zhǎng)（和顏色）由價(jià)帶和導(dǎo)帶的復(fù)合電子 - 空穴對(duì)之間的能量差確定。由于電子和空穴在這些水平上平衡的趨勢(shì)，載流子的近似能量對(duì)應(yīng)于價(jià)帶的上能級(jí)和導(dǎo)帶的低能量。因此，發(fā)射光子的波長(zhǎng)（λ）近似為以下表達(dá)式：
λ= hc / ebg
其中h代表普朗克常數(shù)，c代表光速，e（bg）是帶隙能量。為了改變發(fā)射輻射的波長(zhǎng)，必須改變用于制造led的半導(dǎo)體材料的帶隙。砷化鎵是常見(jiàn)的二極管材料，并且可以用作示例，其說(shuō)明可以改變半導(dǎo)體的帶結(jié)構(gòu)以改變器件的發(fā)射波長(zhǎng)的方式。砷化鎵的帶隙約為1.4電子伏特，并以900納米的波長(zhǎng)發(fā)射紅外線。為了增加發(fā)射到可見(jiàn)紅色區(qū)域（約650納米）的頻率，帶隙必須增加到大約1.9電子伏特。這可以通過(guò)將砷化鎵與具有較大帶隙的相容材料混合來(lái)實(shí)現(xiàn)。磷化鎵，帶隙為2.3電子伏特，是這種混合物可能的候選者。用該化合物生產(chǎn)的led通過(guò)調(diào)節(jié)砷對(duì)磷的含量，可以定制gaasp（砷化鎵磷化物）以產(chǎn)生1.4至2.3電子伏特之間的任何值的帶隙。
如前所述，二極管半導(dǎo)體材料中光產(chǎn)生的大化是led制造中的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。另一個(gè)要求是從芯片中有效地提取光。由于全內(nèi)反射，在半導(dǎo)體芯片內(nèi)各向同性地產(chǎn)生的光的一部分可以逃逸到外部。根據(jù)斯涅爾定律，只有當(dāng)光以小于臨界角的角度與兩種介質(zhì)之間的界面相交時(shí)，光才能從折射率較高的介質(zhì)傳播到折射率較低的介質(zhì)中對(duì)于這兩個(gè)媒體。在具有立方體形狀的典型發(fā)光半導(dǎo)體中，僅約1％至2％的所產(chǎn)生的光通過(guò)led的頂表面逸出（取決于特定的芯片和pn結(jié)幾何形狀），其余部分在半導(dǎo)體材料內(nèi)被吸收。
圖7示出了光從折射率為n（s）的分層半導(dǎo)體芯片逃逸到較低折射率（n（e））的環(huán)氧樹(shù)脂中。逃逸錐所對(duì)應(yīng)的角度由兩種材料的臨界角θ（c）定義。以小于θ（c）的角度從led出射的光線以小的反射損耗（虛線光線）逃逸到環(huán)氧樹(shù)脂中，而以大于θ（c）的角度傳播的那些光線在邊界處經(jīng)歷全內(nèi)反射，并且不要直接逃避芯片。由于環(huán)氧樹(shù)脂圓頂?shù)那?，離開(kāi)半導(dǎo)體材料的大多數(shù)光線以幾乎直角與環(huán)氧樹(shù)脂/空氣界面相遇，并且從殼體中出來(lái)而幾乎沒(méi)有反射損失。
從led芯片發(fā)射到周?chē)h(huán)境中的光的比例取決于可以通過(guò)其發(fā)射光的表面的數(shù)量，以及在每個(gè)表面處如何有效地發(fā)生這種光。幾乎所有l(wèi)ed結(jié)構(gòu)都依賴(lài)于某種形式的分層布置，其中利用外延生長(zhǎng)工藝將多個(gè)晶格匹配材料彼此堆疊以定制芯片的特性。采用各種各樣的結(jié)構(gòu)，每種材料系統(tǒng)需要不同的層結(jié)構(gòu)以?xún)?yōu)化性能特性。
大多數(shù)led結(jié)構(gòu)布置依賴(lài)于二次生長(zhǎng)步驟以在單晶體生長(zhǎng)襯底材料的頂部沉積單晶層。這種多層化方法使設(shè)計(jì)者能夠滿(mǎn)足看似矛盾或不一致的要求。所有結(jié)構(gòu)類(lèi)型的共同特征是發(fā)生光發(fā)射的pn結(jié)幾乎從不位于體生長(zhǎng)襯底晶體中。其中一個(gè)原因是體生長(zhǎng)材料通常具有高缺陷密度，這降低了光產(chǎn)生效率。此外，見(jiàn)的體生長(zhǎng)材料，包括砷化鎵，磷化鎵和磷化銦，對(duì)于所需的發(fā)射波長(zhǎng)沒(méi)有合適的帶隙。
外延晶體生長(zhǎng)技術(shù)涉及將一種材料沉積在另一種材料上，其在原子晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上緊密匹配，以減少層狀材料中的缺陷。許多技術(shù)用于制造外延層。這些包括液相外延（lpe），氣相外延（vpe），金屬有機(jī)外延化學(xué)氣相沉積（mocvd）和分子束外延（mbe）。每種生長(zhǎng)技術(shù)在特定材料系統(tǒng)或生產(chǎn)環(huán)境中具有優(yōu)勢(shì)，并且這些因素在文獻(xiàn)中被廣泛討論。
這里沒(méi)有介紹led制造中采用的各種外延結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，但是在許多出版物中進(jìn)行了討論。然而，通常，這種結(jié)構(gòu)的見(jiàn)類(lèi)別是生長(zhǎng)和擴(kuò)散的同質(zhì)結(jié)，以及單限制或雙限制異質(zhì)結(jié)。應(yīng)用各種層布置背后的策略很多。這些包括p和n的結(jié)構(gòu)區(qū)域和反射層，以提高系統(tǒng)的內(nèi)部量子效率，漸變組合緩沖層，以克服層之間的晶格失配，局部改變能帶隙以實(shí)現(xiàn)載流子限制，以及載流子注入的橫向約束，以控制發(fā)光區(qū)域或準(zhǔn)直排放。
即使它通常不包含pn結(jié)區(qū)域，led基板材料也成為該功能的組成部分，并且被選擇為適合于所需外延層的沉積，以及其透光性和其他性質(zhì)。如前所述，從led芯片實(shí)際發(fā)射的所產(chǎn)生的光的分?jǐn)?shù)是有效透射光的表面的數(shù)量的函數(shù)。大多數(shù)led芯片被歸類(lèi)為吸收襯底（as）器件，其中襯底材料具有窄帶隙并且吸收具有大于帶隙的能量的所有發(fā)射。因此，朝向側(cè)面或向下行進(jìn)的光被吸收，并且這種芯片只能通過(guò)它們的頂面發(fā)光。
的透明基板（ts芯片被設(shè)計(jì)成通過(guò)結(jié)合對(duì)發(fā)射光的波長(zhǎng)透明的基板來(lái)增加光提取。在一些系統(tǒng)中，上外延層中的透明度將允許在一定角度內(nèi)朝向側(cè)表面?zhèn)鬏數(shù)墓庖脖惶崛?。還利用具有介于as和ts器件之間的襯底特性的混合設(shè)計(jì)，并且通過(guò)采用從led芯片到空氣的折射率的分級(jí)變化可以實(shí)現(xiàn)提取效率的顯著提高。在led結(jié)構(gòu)中仍然存在許多其他吸收機(jī)制，其減少發(fā)射并且難以克服，例如芯片上的前接觸和后接觸，以及晶體缺陷。然而，芯片是透明的，而不是吸收，
開(kāi)發(fā)多種led顏色
20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的個(gè)商用發(fā)光二極管利用鎵，砷和磷的主要成分產(chǎn)生紅光（655納米波長(zhǎng)）。另外一種紅色發(fā)光材料磷化鎵后來(lái)被用來(lái)制造發(fā)射700納米光的二極管。盡管效率很高，但由于人眼在該光譜區(qū)域的相對(duì)不敏感性導(dǎo)致的低表觀亮度，后一版本的應(yīng)用受到限制。在整個(gè)20世紀(jì)70年代，技術(shù)發(fā)展使得能夠引入額外的二極管顏色，并且生產(chǎn)改進(jìn)提高了設(shè)備的質(zhì)量控制和可靠性。
元素比例，摻雜和襯底材料的變化導(dǎo)致產(chǎn)生橙色和黃色發(fā)射的砷化鎵 - 磷（gaasp）二極管的發(fā)展，以及更高效的紅色發(fā)射體。還開(kāi)發(fā)了基于gap芯片的綠色二極管。引入和改進(jìn)鎵 - 鋁 - 砷化物（gaalas在20世紀(jì)80年代，導(dǎo)致發(fā)光二極管應(yīng)用數(shù)量的快速增長(zhǎng)，這主要是由于與先前器件相比亮度有一個(gè)數(shù)量級(jí)的改善。通過(guò)在芯片制造中使用多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了性能的提高，盡管這些gaalas二極管僅限于紅色（660納米）發(fā)射，但它們開(kāi)始用于戶(hù)外標(biāo)志，條形碼掃描儀，醫(yī)療設(shè)備，以及光纖數(shù)據(jù)傳輸。
發(fā)光二極管顏色變化 顏色名稱(chēng) 波長(zhǎng) （納米） 半導(dǎo)體 組成
紅外線 880 砷化鎵鋁/砷化鎵
超紅 660 砷化鎵鋁/砷化鎵鋁
超級(jí)紅 633 algainp
超級(jí)橙 612 algainp
橙子 605 gaasp / gap
黃色 585 gaasp / gap
白熾燈 白 4500k（ct） ingan /碳化硅
淡白色 6500k（ct） ingan /碳化硅
酷白 8000k（ct） ingan /碳化硅
純綠色 555 gap / gap
超級(jí)藍(lán)色 470 gan /碳化硅
紫羅蘭色 430 gan /碳化硅
紫外線 395 ingan /碳化硅
表格1
20世紀(jì)80年代末期，led設(shè)計(jì)人員借鑒了快速發(fā)展的激光二極管行業(yè)的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了一項(xiàng)重大發(fā)展，從而生產(chǎn)出基于銦 - 鎵 - 鋁 - 磷化物（algainp）的高亮度可見(jiàn)光二極管）系統(tǒng)。該材料允許通過(guò)調(diào)節(jié)帶隙來(lái)改變發(fā)光顏色。因此，可以采用相同的生產(chǎn)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)紅色，橙色，黃色和綠色led。表1列出了許多常見(jiàn)的led芯片材料（外延層，在某些情況下，基板）及其發(fā)射波長(zhǎng)（或白光leds的相應(yīng)色溫）。
近，已經(jīng)基于氮化鎵和碳化硅材料開(kāi)發(fā)了藍(lán)色led。在這種可見(jiàn)光譜的較短波長(zhǎng)，更高能量區(qū)域中產(chǎn)生光，長(zhǎng)期以來(lái)一直難以被led設(shè)計(jì)者所接受。高光子能量通常會(huì)增加半導(dǎo)體器件的故障率，并且人眼對(duì)藍(lán)光的低靈敏度增加了對(duì)有用藍(lán)色二極管的亮度要求。藍(lán)色發(fā)光二極管重要的一個(gè)方面是它完成紅色，綠色和藍(lán)色（rgb）原色系列，通過(guò)混合這些組分顏色提供產(chǎn)生固態(tài)白光的附加機(jī)制。
自個(gè)發(fā)光二極管發(fā)展以來(lái)，固態(tài)研究人員一直在尋求開(kāi)發(fā)一種亮藍(lán)光源。盡管利用碳化硅的led可以產(chǎn)生藍(lán)光，但是它們具有極低的發(fā)光效率，并且不能產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用所需的亮度。iii族氮化物基半導(dǎo)體的發(fā)展導(dǎo)致了二極管技術(shù)的革命。特別是，鎵 - 氮化銦（gainn）系統(tǒng)已成為生產(chǎn)藍(lán)色led的主要候選者，也是發(fā)展中的白光led市場(chǎng)的主要材料。gainn材料系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代發(fā)展，在gan中實(shí)現(xiàn)p摻雜，隨后利用gainn / gan雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于led制造，然后通過(guò)商業(yè)上可獲得的高亮度藍(lán)色和綠色gainn led 90年代后期。
白光led鎵 - 氮化銦半導(dǎo)體材料系統(tǒng)的作用延伸到白光二極管的發(fā)展。向早期開(kāi)發(fā)的紅色和綠色設(shè)備添加亮藍(lán)色發(fā)光led使得可以使用三個(gè)led，調(diào)整到適當(dāng)?shù)妮敵鲭娖?，以產(chǎn)生可見(jiàn)光譜中的任何顏色，包括白色。利用單個(gè)器件產(chǎn)生白光的其他可能方法基于磷光體或染料波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器或半導(dǎo)體波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。由于固態(tài)器件的可靠性，白色led的概念對(duì)于普通照明特別有吸引力，并且與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光源相比，具有提供非常高的發(fā)光效率的潛力。
傳統(tǒng)光源的平均輸出功率為每瓦15至100流明，而白光led的效率預(yù)計(jì)將通過(guò)持續(xù)開(kāi)發(fā)達(dá)到每瓦300流明以上。圖8示出了許多l(xiāng)ed類(lèi)型和傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率值，并且包括可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍的cie（commission internationale de l'eclairage）發(fā)光度曲線。該曲線表示人眼對(duì)100％效率的發(fā)射器的響應(yīng)。一些當(dāng)前的led材料系統(tǒng)表現(xiàn)出比大多數(shù)傳統(tǒng)光源更高的發(fā)光性能，并且很快發(fā)光二極管將成為可用的效的發(fā)射器。
白光led當(dāng)然適用于顯示和標(biāo)牌應(yīng)用，但為了對(duì)普通照明（如所希望的）有用，并且對(duì)于要求精確和美觀的色彩渲染（包括光學(xué)顯微鏡照明）的應(yīng)用，“白色”的方式實(shí)現(xiàn)光是必須認(rèn)真考慮的。如果位于視網(wǎng)膜中的三種類(lèi)型的光敏錐細(xì)胞以特定比率被刺激，則人眼將光感知為白色。三種錐形類(lèi)型表現(xiàn)出響應(yīng)曲線，其在表示紅色，綠色和藍(lán)色的波長(zhǎng)處的靈敏度達(dá)到峰值，并且響應(yīng)信號(hào)的組合在腦中產(chǎn)生各種顏色感覺(jué)。各種不同的顏色混合物能夠產(chǎn)生類(lèi)似的感知顏色，特別是在白色的情況下，
色度圖是表示從混合顏色獲得的結(jié)果的圖形手段。單色出現(xiàn)在圖的外圍，代表白色的一系列混合物位于圖的中心區(qū)域（見(jiàn)圖9）。被感知為白色的光可以通過(guò)不同的機(jī)制產(chǎn)生。一種方法是以適當(dāng)?shù)墓β时冉M合兩種互補(bǔ)色的光。在視網(wǎng)膜中產(chǎn)生三刺激反應(yīng)的比率（導(dǎo)致白色的感知）因不同的顏色組合而變化。表2列出了一系列互補(bǔ)波長(zhǎng)，以及每對(duì)產(chǎn)生為d（65）的標(biāo)準(zhǔn)光源的色度坐標(biāo)的功率比。 照明委員會(huì)（cie，commission internationale de l'eclairage）。
產(chǎn)生白光的另一種方法是通過(guò)組合三種顏色的發(fā)射，當(dāng)它們以適當(dāng)?shù)墓β时冉M合時(shí)將產(chǎn)生白光的感知。白光也可以通過(guò)從可見(jiàn)光譜的大區(qū)域發(fā)射的物質(zhì)的寬帶發(fā)射產(chǎn)生。這種類(lèi)型的發(fā)射近似于陽(yáng)光，并被認(rèn)為是白色。另外，寬帶發(fā)射可以與離散譜線處的發(fā)射組合以產(chǎn)生感知白色，其可以具有與由其他技術(shù)產(chǎn)生的白光不同的特定期望顏色特性。
將紅色，綠色和藍(lán)色二極管芯片組合成一個(gè)分立封裝，或者在容納一組二極管的燈組件中，通過(guò)利用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)三個(gè)二極管的電路，可以產(chǎn)生白光或256種顏色中的任何一種。在需要來(lái)自單點(diǎn)光源的全光譜顏色的應(yīng)用中，這種rgb二極管格式是技術(shù)。
大多數(shù)白光二極管采用以短波長(zhǎng)（藍(lán)色，紫色或紫外線）發(fā)射的半導(dǎo)體芯片和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，其吸收來(lái)自二極管的光并經(jīng)歷較長(zhǎng)波長(zhǎng)的二次發(fā)射。因此，這種二極管發(fā)射兩種或更多種波長(zhǎng)的光，當(dāng)組合時(shí)，它們看起來(lái)是白色的。組合發(fā)射的質(zhì)量和光譜特性隨著可能的不同設(shè)計(jì)變化而變化。見(jiàn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器材料被稱(chēng)為磷光體（phosphors，當(dāng)它們從另一個(gè)輻射源吸收能量時(shí)表現(xiàn)出發(fā)光。通常使用的磷光體由含有光學(xué)活性摻雜劑的無(wú)機(jī)主體物質(zhì)組成。釔鋁石榴石（yag）是一種常見(jiàn)的主體材料，對(duì)于二極管應(yīng)用，它通常摻雜有一種稀土元素或稀土化合物。鈰是yag熒光粉中常見(jiàn)的摻雜元素，設(shè)計(jì)用于白光發(fā)光二極管。
互補(bǔ)色波長(zhǎng) 互補(bǔ)波長(zhǎng)
功率比
λ1 (nm)
λ2 (nm)
p(λ2) / p(λ1)
390
560.9
0.00955
410
561.3
0.356
430
562.2
1.42
450
564.0
1.79
470
570.4
1.09
480
584.6
0.562
484
602.1
0.440
486
629.6
0.668
表2
個(gè)商用白色led（由nichia corporation制造和銷(xiāo)售）基于藍(lán)光發(fā)射的鎵 - 氮化銦（gainn））由黃色磷光體包圍的半導(dǎo)體器件。圖1示出了該裝置的橫截面結(jié)構(gòu)。磷光體是ce摻雜的yag，以粉末形式生產(chǎn)并懸浮在用于封裝管芯的環(huán)氧樹(shù)脂中。磷光體 - 環(huán)氧樹(shù)脂混合物填充支撐引線框架上的管芯的反射杯，并且來(lái)自芯片的藍(lán)色發(fā)射的一部分被磷光體吸收并以較長(zhǎng)的磷光波長(zhǎng)重新發(fā)射。藍(lán)色照射下的黃色光激發(fā)的組合是理想的，因?yàn)閮H需要一種轉(zhuǎn)換器物質(zhì)?；パa(bǔ)的藍(lán)色和黃色波長(zhǎng)通過(guò)添加劑混合組合以產(chǎn)生所需的白光。由此產(chǎn)生的led發(fā)射光譜（圖10）代表了熒光粉發(fā)射的組合，
可以修改兩個(gè)發(fā)射帶的相對(duì)貢獻(xiàn)以?xún)?yōu)化led的發(fā)光效率和總發(fā)射的顏色特性。這些調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變模具周?chē)暮坠怏w環(huán)氧樹(shù)脂的厚度，或通過(guò)改變懸浮在環(huán)氧樹(shù)脂中的磷光體的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，來(lái)自二極管的藍(lán)色白色發(fā)射通過(guò)加色混合合成，并且其色度特性由cie色度圖上的中心位置（0.25,0.25）表示（圖9; 藍(lán)白色led）。
白光二極管可利用另一種機(jī)制產(chǎn)生發(fā)射，利用由紫外輻射光學(xué)激發(fā)的廣譜磷光體。在這種裝置中，采用紫外發(fā)光二極管將能量轉(zhuǎn)移到磷光體，并且由磷光體產(chǎn)生整個(gè)可見(jiàn)光發(fā)射。作為熒光燈和陰極射線管制造中使用的材料，可容易地獲得在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射并產(chǎn)生白光的熒光體。盡管熒光管從氣體放電過(guò)程獲得其紫外發(fā)射，但產(chǎn)生白光輸出的熒光發(fā)射級(jí)與紫外泵浦白色二極管中的相同。磷光體具有*的顏色特性，并且這種類(lèi)型的二極管具有的優(yōu)點(diǎn)是它們可以設(shè)計(jì)用于需要關(guān)鍵顏色再現(xiàn)的應(yīng)用。然而，紫外泵浦二極管的顯著缺點(diǎn)是，與采用藍(lán)光用于磷光體激發(fā)的白色二極管相比，它們的發(fā)光效率較低。這是由于紫外光向下轉(zhuǎn)換為較長(zhǎng)可見(jiàn)波長(zhǎng)的相對(duì)高的能量損失。
染料是用于白色二極管應(yīng)用的另一種合適類(lèi)型的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，并且可以結(jié)合到環(huán)氧樹(shù)脂密封劑或透明聚合物中。市售染料通常是有機(jī)化合物，通過(guò)考慮它們的吸收和發(fā)射光譜來(lái)選擇它們用于特定的led設(shè)計(jì)。二極管產(chǎn)生的光必須與轉(zhuǎn)換染料的吸收曲線相匹配，而轉(zhuǎn)換染料又以所需的較長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光。染料的量子效率可以接近100％，如在磷光體轉(zhuǎn)換中，但是它們具有比磷光體更差的長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。這是一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因?yàn)槿玖系姆肿硬环€(wěn)定性導(dǎo)致它們?cè)谟邢迶?shù)量的吸收轉(zhuǎn)變后失去光學(xué)活性，
已經(jīng)證明基于半導(dǎo)體波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的白光led在原理上類(lèi)似于磷光體轉(zhuǎn)換類(lèi)型，但是其采用響應(yīng)于來(lái)自主光源晶片的發(fā)射而發(fā)射不同波長(zhǎng)的第二半導(dǎo)體材料。這些器件被稱(chēng)為光子再循環(huán)半導(dǎo)體（或prs-led）并且，將發(fā)藍(lán)光的led管芯結(jié)合到另一個(gè)管芯上，該管芯通過(guò)發(fā)射互補(bǔ)波長(zhǎng)的光來(lái)響應(yīng)藍(lán)光。然后兩個(gè)波長(zhǎng)組合產(chǎn)生白色。這種類(lèi)型器件的一種可能結(jié)構(gòu)利用gainn二極管作為耦合到algainp光激勵(lì)有源區(qū)的電流注入有源區(qū)。主光源發(fā)出的藍(lán)光部分地被次級(jí)有源區(qū)域吸收，并且“再循環(huán)”為較低能量的再發(fā)射光子。圖11中示意性地示出了光子再循環(huán)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。為了使組合發(fā)射產(chǎn)生白光，兩個(gè)光源的強(qiáng)度比必須具有可以針對(duì)特定二色分量計(jì)算的特定值。
因?yàn)榘坠饪梢酝ㄟ^(guò)幾種不同的機(jī)制產(chǎn)生，所以在特定應(yīng)用中利用白光led需要考慮用于產(chǎn)生光的方法的適用性。盡管通過(guò)各種技術(shù)發(fā)出的光的感知顏色可以是相似的，但是其對(duì)顯色性的影響或者例如光的過(guò)濾的結(jié)果可能*不同。通過(guò)寬帶發(fā)射產(chǎn)生的白光，通過(guò)在二色光源中混合兩種互補(bǔ)色，或者通過(guò)在三色光源中混合三種顏色，可以位于色度圖上的不同坐標(biāo)處，并且相對(duì)于為的光源具有不同的色溫。 cie的標(biāo)準(zhǔn)。然而，重要的是要意識(shí)到，即使不同的光源具有相同的色度坐標(biāo)
led效率和顯色指數(shù) led的類(lèi)型 發(fā)光 效率（lm / w） 色度 坐標(biāo)（x，y） 一般cri
二色led 336 （0.31,0.32） 10
擴(kuò)展輸出二色led 306 （0.31,0.32） 26
三基色led 283 （0.31,0.32） 60
基于熒光粉的led 280 （0.31,0.32） 57
表3
前面提到的兩個(gè)因素對(duì)于評(píng)估led產(chǎn)生的白光至關(guān)重要：發(fā)光效率和顯色能力。被稱(chēng)為顯色指數(shù)的屬性（cri在光度測(cè)定中用于比較光源，并且被定義為相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)參考照明光源的光源的顯色能力?？梢宰C明，發(fā)光器件的發(fā)光效率和顯色能力之間存在基本的折衷，如表3中的值所示。對(duì)于諸如標(biāo)牌的應(yīng)用，其利用單色光塊，發(fā)光效率是重要的，而顯色指數(shù)是無(wú)關(guān)緊要的。對(duì)于一般照明，必須優(yōu)化這兩個(gè)因素。
從器件發(fā)射的光的光譜性質(zhì)對(duì)其顯色能力具有深遠(yuǎn)的影響。盡管通過(guò)混合兩種單色互補(bǔ)色可以獲得可能的發(fā)光效率，但是這種二色光源具有低的顯色指數(shù)。在實(shí)際意義上，合乎邏輯的是，如果用通過(guò)僅組合藍(lán)光和黃光產(chǎn)生的白光發(fā)射的二極管照射紅色物體，則紅色物體的外觀將不會(huì)非常令人愉悅。然而，相同的二極管非常適合于對(duì)透明或白色面板進(jìn)行背光照明。模擬太陽(yáng)可見(jiàn)光譜的廣譜白光源具有的顯色指數(shù)，但不具有二色發(fā)光體的發(fā)光效率。
基于磷光體的led，或者將藍(lán)色發(fā)射波長(zhǎng)與更長(zhǎng)波長(zhǎng)的磷光色結(jié)合，或者僅通過(guò)磷光體發(fā)射產(chǎn)生光（如在紫外泵浦的led中），可以被設(shè)計(jì)為具有相當(dāng)高的顯色能力。它們具有在許多方面與熒光燈管類(lèi)似的顏色特征。gainn led利用半導(dǎo)體的藍(lán)光發(fā)射激發(fā)熒光粉，并提供冷白色，淺白色和白熾燈白色版本，其中包含芯片周?chē)煌瑪?shù)量的熒光粉。冷白色是亮的，利用少的熒光粉，并產(chǎn)生藍(lán)色的光。白熾燈白色版本環(huán)繞著發(fā)光量的藍(lán)光芯片，具有暗的輸出和黃（溫暖）的顏色。
長(zhǎng)期以來(lái)白光led的可用性引起了人們對(duì)將這些器件應(yīng)用于一般照明要求的極大興趣。隨著照明設(shè)計(jì)師逐漸熟悉新設(shè)備的特性，必須消除一些誤解。其中之一是來(lái)自白色led的光可用于照亮任何顏色的鏡頭或?yàn)V鏡，并保持顏色的準(zhǔn)確度和飽和度。在許多版本的白光led中，白色輸出中不存在紅色成分，或者光譜中存在其他不連續(xù)性。這些led不能用作背光多色顯示面板或彩色鏡片的一般光源，盡管它們?cè)谕该骰虬咨姘搴竺婺軌蚝芎玫毓ぷ?。如果在紅色鏡頭后面使用藍(lán)色gainn白色led，則透射的光將呈粉紅色。同樣，當(dāng)使用相同的led照明時(shí)，橙色鏡頭或?yàn)V鏡會(huì)顯示為黃色。雖然led應(yīng)用的潛在好處是巨大的，但是在將這些裝置結(jié)合到照明方案中代替更熟悉的傳統(tǒng)光源時(shí)需要考慮它們的*特性。