LED，即发光二极管，是一种在现代社会中广泛应用的半导体光源。当电流通过它时，它便会发光，是一种典型的电致发光的半导体电子器件。1993 年基于氮化镓制造出的高亮度蓝色 LED 实现商用化后，白色 LED 应运而生，作为第 4 照明光源备受瞩目。
　　发光二极管的内部部分是 PN 结，周边部分采用环氧树脂密封其引线与框架，以此保护内部芯线。当 PN 结通以正向电流时，能发射可见或非可见辐射，此辐射是透过三价与五价元素所组成的复合光源。发光二极管只能往一个方向导通，即正向偏置。当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这就是 “电致发光效应”。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。与传统光源相比，发光二极管具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等优点。初在 1962 年出现时，它只能发出低光度的红光，被惠普买下后当作指示灯利用。随着技术的发展，如今它能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当高的程度。随着白光发光二极管的出现，其用途已从初期的指示灯及显示板等指示用途，逐渐拓展到近年的照明用途。而且，白光 LED 的发光效率近期有所进步，每千流明成本因大量资金投入而下降，在照明用途上越来越普及。
　　　　图 1：发光二极管内部结构
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　　图 2：包含多个发光二极管的灯带
　　1. LED 是如何被发明出来的
　　LED 的发明是一个历经多阶段、众多科学家共同贡献的过程，以下是其发明的关键历史时刻：
　　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，这是人类首次记录到半导体材料的电致发光现象。到了 20 年代，俄国科学家 Oleg Losev 进一步研究该现象，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，在通用电气（GE）工作的工程师 Nick Holonyak Jr 发明了个实用的可见光 LED（红光 LED），他也被誉为 “LED 之父”。1972 年，Nick Holonyak Jr 的学生 M. George Craford 发明了个黄色 LED，并大大提高了红色和橙色 LED 的亮度，其在氮化镓磷（GaAsP）材料基础上的改进使 LED 亮度提高了十倍。70 年代和 80 年代，随着技术的不断发展，更多颜色的 LED 问世，包括绿色、黄色和橙色 LED。
　　蓝光 LED 的突破：90 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。如今，LED 技术不仅应用在可见光范围内，还扩展到紫外线和红外线范围，在显示器、照明、指示灯和通信等多个领域都有广泛应用。
　　2. 为什么 LED 能发光
　　LED 能发光而普通二极管不能，主要有以下几个方面的原因：
　　区别在半导体材料：普通二极管多采用硅、锗材料，当电子与空穴复合时，释放的是热能，不会产生可见光。而 LED 使用的是砷化镓、氮化镓等宽禁带化合物半导体，载流子复合时，能量以光子（可见光）的形式释放。
　　能带结构差异：硅和锗的禁带宽度小，电子与空穴复合时释放的能量低于可见光光子能量。而 LED 所使用材料的禁带宽度与可见光能量相匹配，电子复合跃迁时能够直接辐射出光。
　　设计导向不同：普通二极管的设计侧重于实现单向导电、整流稳压等功能，并没有进行发光方面的设计。而 LED 专门对光萃取结构进行了优化，能够将复合产生的光线导出，从而实现发光。
　　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。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，但必须在特殊角度下才可发现，且发光亮度不明显）。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。发光二极管通常在 N 型衬底表面沉积一层 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。大多数制作发光二极管的材料具有极高的折射率，这意味着大部分光波会在材料与空气的交界面被反射回材料内部。因此，光波萃取是发光二极管的重要研究方向，相关的研究与开发工作也多聚焦于这一课题。
　　3. 如何提高 LED 的发光效率
　　提高 LED 发光效率涉及多个方面，以下是一些主要策略：
　　优化材料选择
　　高效发光材料：使用高光效的直接带隙半导体材料，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）和磷化镓（GaP）。这类直接带隙半导体的电子与空穴可直接复合发光，无需声子辅助能量传递，因此能高效地将电能转换为光能。而且不同材料的带隙大小不同，还可对应红、黄、蓝等不同发光颜色。
　　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。
　　改进结构设计
　　优化 PN 结设计：通过改进 PN 结的结构，优化电子和空穴的复合效率，进而提高发光效率。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　　　图 3：提高 LED 发光效率的方法