发光二极管

发光二极管（LED）是一种半导体二极管，当正向电流通过PN结时会发光。电子与空穴在带隙两侧复合，并释放出光子，因此发光颜色由半导体材料决定，而不是由灯丝的温度决定。其体积小、功耗低、使用寿命长，使其成为通用照明、显示和指示领域占主导地位的光源。

发光二极管的发展历程可以追溯到1900年代和1920年代对发光现象的早期观察，到1960年代出现第一批可见红光器件，再到1990年代出现蓝色和白色器件。蓝色和白色LED的研发成果获得了2014年诺贝尔物理学奖的认可。由于LED将电能转化为光的效率远高于旧式灯具，它已成为建筑、交通领域降低能源需求，以及气候减缓策略中的重要工具。

本词条首先介绍物理原理，以及能带结构如何决定颜色，随后讨论材料、器件结构、光提取和白光产生。接着介绍性能指标、电学特性、可靠性和发展历史，并概述无机、有机、量子点和微型LED等技术。最后讨论应用、健康与环境因素、经济性、LED与激光器及太阳能电池的关系，以及主要的未解决研究问题。

基本工作原理

LED 以半导体晶体中的 P–N 结为核心。n 型一侧因施主掺杂而含有过剩的可移动电子，p 型一侧则含有过剩的空穴。空穴是价带中的空位，表现为正电荷载流子。在没有外加电压时，载流子通过扩散穿过界面，形成耗尽区，由此产生的内建电势阻止了进一步的电流流动。

正向偏置则使这一情形发生改变。当 p 侧接正极且外加电压足够大时，势垒变窄，电子从 n 侧、空穴从 p 侧进入结附近的薄活性区。在该区域内两类载流子相互重叠，注入的载流子发生复合：电子从导带跃迁到价带中的空态。

复合过程可以以光或热的形式释放能量。当跃迁是辐射性的时，能量差以光子形式发射；在设计良好的器件中，光子能量接近材料的带隙。非辐射途径与之竞争：电子可能在晶体缺陷处被俘获，能量最终转化为晶格振动；或者电子通过俄歇过程把能量传递给第三个载流子。每发生一次非辐射事件，就少产生一个本可产生的光子，因此辐射复合事件与总复合事件之比在很大程度上决定了电输入有多少转化为光。

光本身是通过电致发光产生的，即电能通过载流子复合直接转化为发射光子。白炽灯的工作方式则不同：其钨丝被加热至约 2700 至 3000 K，辐射出近似黑体辐射的宽连续光谱，能量大部分处于红外波段。相比之下，LED 的发射集中在由半导体带隙决定的能量附近的一个窄带内。对于可见光器件，光谱宽度通常只有几十纳米，因此光几乎是单色的，但并非完全单色。

结的电流–电压特性决定了发光何时发生。低于开启电压时电流非常小，超过开启电压后电流随电压呈指数上升。对于理想二极管，这一关系可用 $I = I_s\left(e^{qV/(nkT)}-1\right)$ 描述，其中 $I_s$ 为饱和电流，$n$ 为理想因子，$q$、$k$ 和 $T$ 具有通常的含义。对于直接带隙材料，开启电压约为 $V_{\text{on}} \approx E_g/q$，这也解释了为什么带隙较宽的器件需要更高的正向电压。在反向偏置下，电流仅为微小的漏电流，载流子不会注入活性区，器件基本不发光。这种不对称性决定了 LED 只有在正向连接时才发光，也说明必须避免过高的反向电压，否则可能引起击穿。

能带与发射波长

在半导体中，电子填充较低能量的价带，并可在较高能量的导带中移动。两者之间的能量区间称为带隙，即理想晶体中电子不能占据的能量范围。在发光二极管中，导带中的电子跃迁到价带中的空态（空穴）上，释放的能量以光子的形式离开晶体。在一级近似下，光子能量等于带隙 $E_g$。光子能量与波长由 $E = hc/\lambda$ 联系，其中 $h$ 是普朗克常数，$c$ 是光速。若 $E_g$ 以电子伏特为单位，$\lambda$ 以纳米为单位，则上式可写为 $\lambda \approx 1240/E_g$。

代入典型数值可以看出，颜色对材料的依赖程度非常大。约 1.8 eV 的带隙对应约 690 nm 的深红光，约 2.7 eV 则对应约 460 nm 的蓝光。因此，波长越短，所需的带隙越宽。实际发射光的波长通常略低于名义带隙所对应的值，因为载流子往往在靠近能带边缘的浅能级之间复合，而不是在能带的极端位置复合。因此，测得的峰值波长最好理解为带隙值的近似对应，而非精确等价。

仅有带隙并不能保证发光明亮。复合是否高效，取决于能带极值在晶体动量上是否对齐。在直接带隙半导体中，导带底和价带顶位于相同的动量处，因此电子与空穴复合并发射光子的概率很高，而光子携带的动量可以忽略不计。在间接带隙半导体中，两个极值在动量上错开，因此辐射跃迁需要第三个参与者——晶格声子——来提供动量变化。这使该过程的概率大大降低，非辐射途径随之占据主导。

磷化镓可以说明这一问题。其间接带隙约为 2.26 eV，对应绿光，但纯净晶体的发光很弱，转换效率仅约 0.1%。引入氮作为等电子杂质会形成局域态，俘获电子和空穴并使其发生辐射复合。这使掺氮磷化镓得以用于绿色及黄绿色指示灯 LED，尽管其效率仍仅为百分之几。该方法是通过在带隙内提供复合通道来实现的，而不是改变带隙本身，这也解释了为何掺杂可以提高效率，而不会使名义带隙对应的波长发生偏移。

即使对于直接带隙材料，LED 发出的也是一个波段而非单一谱线。载流子因热分布以及通过不同深度能级的复合而分布于一定能量范围内，合金中的成分变化还会进一步展宽谱线。典型的光谱半高宽为几十纳米。这就是为什么 LED 光被描述为近似但并非完全单色的，也使其区别于激光二极管——后者的受激发射可产生窄得多的谱线。

半导体材料与颜色

LED 的颜色由其有源层的带隙决定，因此所选的半导体合金决定了器件能够覆盖光谱的哪一段。每个器件只发出单一色调，其光子能量与该带隙相匹配（有源层的带隙决定了发出光的能量）。因此，每一类材料体系各自覆盖光谱中的一段，而不同体系的可调范围也各不相同。

早期的砷化物与磷化物化合物

研发始于砷化镓。在 RCA 公司，Jacques Pankove 于 1962 年报告了 GaAs 的红外电致发光，不过 GaAs 作为半导体材料并不是理想的候选者。同年晚些时候，德州仪器宣布了一款商用 GaAs 红外产品，其发光波长接近 900 nm。可见光发射则来自通用电气公司的 Nick Holonyak Jr.，他于 1962 年利用砷化镓磷材料制成红色器件，并将受激发射应用于该材料。用磷替代部分砷会加宽带隙，使输出从红外移入可见光范围（成分的改变使 GaAs 二极管的波长进入可见光区）。通过调节磷的比例，可得到约 660 nm 的红色、约 610 nm 的橙色和约 590 nm 的黄色（n 型 GaAsP 层的成分决定了颜色）。当磷的比例超过某一程度后，能带结构转为间接带隙，除非加入氮作为发光中心，否则发光很弱（间接带隙合金通过掺氮得以增亮）。

铝镓铟磷：红色至黄色

铝镓铟磷（AlGaInP）可以与 GaAs 晶圆实现晶格匹配生长，其颜色取决于铝的比例。它的直接带隙窗口从约 1.9 eV（红色）延伸到约 2.26 eV（黄绿色），但当铝含量接近直接带隙与间接带隙的转变点时，辐射效率会下降（铝含量较高时效率显著降低）。因此，商用 AlGaInP 器件大多为红色、橙色和琥珀色（商业生产主要集中在这些颜色）。衬底的选择同样重要。GaAs 衬底会吸收部分发出的光，因为其带隙较小；而带隙较大的 GaP 衬底则不会（GaAs 会吸收光，而 GaP 较宽的带隙可避免这一问题）。掺杂也带来进一步的限制。一份专利描述指出，p 型 AlGaInP 通常无法达到约 10^18 cm^-3 的载流子浓度，而 GaP 包覆层则可以超过这一水平（AlGaInP 的载流子密度难以突破该水平）。

氮化镓与氮化铟镓：蓝色、绿色与紫外

氮化镓（GaN）的带隙约为 3.4 eV，其复合会在紫外区产生约 360 nm 的光（GaN 是直接带隙材料，带隙接近 3.4 eV，对应约 360 nm 的发射）。与铟合金化会缩小带隙，使发射移入可见光范围（向 GaN 中加入铟会降低带隙）。原则上，InGaN 的带隙可以从红外的约 0.69 eV 调节到紫外的 3.4 eV（成分控制能够覆盖整个范围）。实际上，蓝色量子阱采用的铟比例在 5% 至 20% 之间（这种成分的量子阱发出蓝光），而约 470 nm 的纯蓝光对应铟比例接近 0.2（470 nm 的情形取 z = 0.2）。由于 GaN 无法在晶格匹配的晶圆上生长，器件通常制作在蓝宝石或碳化硅上（生长时使用这类晶格匹配衬底）。在 20 世纪 90 年代之前，LED 的颜色选择有限，GaN 体系补全了这一缺口，使蓝色和白色器件得以制成（早期 LED 缺少蓝色；基于 GaN 的器件填补了这一空白）。

各材料体系的局限

每个体系受到的制约各不相同。AlGaInP 在接近间接带隙转变点时效率下降，且难以实现 p 型掺杂，因此无法干净地覆盖绿色端。InGaN 要达到更长的波长需要掺入足够多的铟，这会使晶体产生应变，并使其在现有衬底上的生长变得复杂。富铝氮化物则面临掺杂和光提取方面的困难，从而限制了其在紫外区的范围。正是这些制约，使得没有任何单一材料体系能够以均匀的效率覆盖整个可见光范围。

器件结构与外延生长

发光二极管的有源层由外延生长制成单晶薄膜，最常用的方法是金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延。对于III族氮化物蓝光和绿光芯片，蓝宝石二十多年来一直是主力衬底；在蓝宝石上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺外延生长GaN基外延层，至今仍是LED芯片制造的主流方法。蓝宝石价格低廉，但导热性能较差，热导率约为25 W/m·K。碳化硅和硅是另外两种商用衬底，选择哪种衬底需要在成本、晶格匹配和热流之间与器件的要求进行权衡。

衬底失配是最核心的材料问题。蓝宝石的晶格常数与氮化镓相差最多可达14%，这会在界面平面内引入失配位错。热失配进一步加剧了应变：蓝宝石的热膨胀系数比GaN大约高34%，在冷却过程中会导致薄膜弯曲，并伴随残余压应变。其结果是，异质外延氮化物中的穿透位错密度达到10^7–10^10 cm^-2。这些位错之所以重要，是因为它们是延伸的非辐射缺陷，会降低内量子效率，因此到达位错处的载流子会在不发出光子的情况下复合。

有几种策略可以降低这一损失。生长者会在主薄膜之前沉积低温成核层，有些人还使用图形化蓝宝石衬底（PSS）。一项研究发现，PSS被证明是降低横向生长模式下PSS上GaN外延膜中穿透位错（TD）密度的有效方法。横向外延过生长和柔性缓冲层也被采用，后者的作用在于缓冲层能够吸收GaN与蓝宝石衬底之间晶格失配所产生的失配位错。最理想的途径是在体GaN上进行同质外延，但这受限于大尺寸GaN晶圆的成本高昂和供应稀缺。一项对比研究报告称，同质外延LED的穿透位错密度为2–5×10^8 cm^−2，比生长在c面蓝宝石衬底上的低一个数量级，并且其发光输出功率比蓝宝石衬底上的提高了一个数量级以上。

有源区的设计旨在限制载流子。双异质结概念由日列斯·阿尔费罗夫（Zhores Alferov）和赫伯特·克勒默（Herbert Kroemer）于1963年提出，利用双异质结实现有源区中的载流子限制。窄带隙层夹在宽带隙层之间，两个界面处的能垒将电子和空穴束缚在一起。在正向偏压下，复合发生在中心区域并基本局限于此。较宽带隙的包覆层对中心层发出的光是透明的，因此发出的光子不会被重新吸收。现代氮化物LED通常用一个或多个量子阱取代较厚的中心层：一层薄的InGaN阱被夹在带隙更高的GaN势垒之间。当阱足够薄时，垂直于膜层方向的载流子运动会被量子化，通常会堆叠多个阱以形成多量子阱区。p型一侧的有源区常设置电子阻挡层，以防止电子逸入p型材料。

载流子还必须从表面均匀地到达有源区。由于p型氮化物导电性较差，顶面通常覆盖一层透明导电层。氧化铟锡（ITO）的主要优势在于兼具导电性和光学透明性。若没有这一层，由于N-GaN串联电阻的存在，垂直结构GaN基LED的电极边缘仍会出现电流拥挤现象。设计者有时还会加入与p电极对准的条状SiO₂电流阻挡层，以防止电流在p电极周围聚集。随后，金属接触和焊盘构成了进入芯片的电通路。由于铟稀缺且价格上涨，研究人员还测试了石墨烯和碳纳米管薄膜，将其作为ITO的替代材料用于这类扩展层。

光提取与封装

在有源区产生的光在到达观察者之前，仍必须离开芯片，而这一步往往限制了 LED 的整体效率。氮化镓和 AlInGaP 等半导体的折射率远高于空气，因此以陡峭角度入射到顶面的光子会被反射回晶体内部，无法逸出。由于逸出窗口很窄，全反射会束缚大部分光，被束缚的光子最终在芯片内部被吸收并转化为热。

损失的大小可以通过临界角估算。对于折射率约为 3.5 的芯片，若封装在折射率约为 1.5 的环氧树脂中，临界角约为 25°，因此只有落在每个表面周围狭窄锥形范围内的光才能穿过界面。一个高效的传统透明衬底 AlInGaP LED（采用环氧树脂封装）的外量子效率可能只有约 40%，尽管其内量子效率接近 100%。这两个数字之间的差距，就是封装和芯片设计试图弥补的光提取损失。仅对环氧树脂表面进行整形无法解决问题，因为折射率的最大跌落发生在半导体与封装材料的界面处本身。

多种策略针对这一瓶颈。芯片整形是最早的方法：将 LED 研磨成半球形，使光以接近法向的角度射到弯曲表面，从而减少反射。不过，这种技术费工且浪费材料。现代方法采用图形化或粗化表面、光子晶体结构和图形化蓝宝石衬底，将被束缚的光散射到可逸出的方向；倒装芯片安装则使发光面远离引线键合一侧，让光能够通过透明衬底射出。安装面上的金属反射层可将原本会损失的光子重新导向，穹顶形封装材料则提高了临界角。不过，高折射率穹顶并非万全之策：高折射率玻璃中的光吸收和机械应力，通常会降低采用此类玻璃封装的 LED 性能。

封装还必须保护芯片并供电，其材料的选择同时考虑提取效率与可靠性。环氧树脂和硅胶是最常见的封装材料，但高功率器件通常更倾向于使用硅胶，因为环氧树脂的热膨胀系数与半导体差异很大，在反复加热和冷却过程中产生的应力可能损坏晶粒。小型指示灯封装使用引线框架，而陶瓷和金属芯基板则用于更高功率的场合。封装上方形成的透镜用于塑造发光图样，使提取出的光以既定方式射向目标区域。

热设计与光学设计密不可分。结区产生的热量必须经由晶粒、衬底、焊点和封装，传导至周围空气或散热器，而这一路径的效率取决于各材料的热导率。结温升高会降低光输出并缩短工作寿命，因此即使光学设计良好，散热不佳的封装也会同时损失亮度和使用寿命。出于这个原因，光提取的改进与热管理通常是一起优化的，而非分开进行。

白光与混色

LED 产生白光主要有两种途径：一是把几种有色发光体的输出叠加，二是用发光材料把一部分短波长的发射光转换为长波长光。两种路线在调色的难易程度、显色的保真度，以及数年使用过程中输出光色的变化方面各有不同。

有色芯片的加色混合

在 RGB 方案中，红、绿、蓝三色芯片被封装在同一个器件或灯具中，通过平衡各自的驱动电流，使合成光呈现白色。由于每个通道都可以单独调节，这种方式适合变色灯具。其弱点在于三种芯片对热和老化的响应并不一致：它们的发射波长会随温度漂移，光输出的衰减速率也各不相同，因此刚出厂时看起来中性的白光，之后可能逐渐偏向蓝色、粉色或黄色。工程上通常采用反馈来应对：传感器逐路检测光输出，控制器据此修正电流，但这会增加成本、电路复杂度和能耗。有些产品在三原色之外增加一颗专用白色发光体（即 RGBW 结构），由此得到的白光比简单的红绿蓝混合更干净。

荧光粉转换型白光 LED

目前商业上占主导地位的方法是在蓝色 InGaN 芯片上涂覆荧光粉。常用的是掺铈钇铝石榴石（YAG:Ce³⁺），它吸收一部分蓝光，并以较宽的黄光形式重新发射；未被吸收的蓝光与黄光合在一起，被人眼感知为白色。这种设计简单、效率高，但光谱中红光成分较弱，因此得到的通常是色温较高、偏冷的蓝白光，显色指数常在 70 多或 80 出头。要制成暖白光产品，就需要加入红色发光荧光粉，常用的是锰激活的氟化物。也有研究小组表明，在蓝光芯片上使用单一黄红色荧光粉也能得到暖色调：有报道称，一种荧光粉配合 440–470 nm 的蓝光芯片，得到的相关色温低于 4000 K，显色指数高于 80。近紫外芯片搭配三基色荧光粉混合，也是活跃的研究方向。

色度指标

相关色温（CCT）以开尔文为单位，用来描述白光看起来是暖还是冷。数值越低，光色越暖、偏黄；数值越高，光色越冷、偏蓝。通常把大约 2500–4000 K 称为暖色。显色指数（CRI，常写作 Ra）表示光源还原参考照明下物体颜色的准确程度，满分为 100。标准显色指数取八种中等饱和度测试色的平均值，对饱和红色几乎不能反映，因此常同时报告补充指标 R9。相关色温与显色指数描述的是不同的性质：光的色温可以很悦目，但显色却很差，反之亦然。

荧光粉的选择会同时影响光效和显色，两者之间存在取舍。加入红光发射可以提高显色指数，但人眼对深红光最不敏感，额外的红光光子对测得的流明数贡献很小，发光效能因此下降。热性能同样重要：荧光粉的发光强度随温度升高而降低，因此荧光粉的热稳定性会限制其在实际工作条件下保持色彩的能力。

光色随时间的漂移

色彩稳定性是白光 LED 最主要的可靠性问题之一。在荧光粉转换型器件中，随着荧光粉老化，蓝光与黄光之间的平衡会改变，从而使光色偏移。也有研究将灯具开机后不久出现的色彩退化，与芯片的热瞬态行为联系起来，因为峰值波长会随时间漂移，峰值强度也会下降。在一个专利实例中，一颗使用红色硫化物荧光粉的暖白光 LED，在 85 °C、85% 相对湿度下工作 1000 小时后，色温由约 3275 K 上升到 3575 K。由热和紫外线照射引起的硅胶或塑料封装材料黄化，又会产生额外的滤光效应。实际设计中，工程师通过热设计、选用稳定的荧光粉来控制漂移；在某些系统中，还会加入红色 LED，把合成光色拉回到目标值。

效率、光度单位与性能指标

LED 的效率最好理解为一连串的转换步骤，每一步都可能损失能量。第一步是内量子效率（IQE），即注入的电子中，在有源区内产生光子的比例。只要载流子通过缺陷或其他非辐射途径损失，IQE 就会下降，因此它对晶体质量非常敏感。外量子效率（EQE）是 IQE 与光提取效率的乘积，其中光提取效率指产生的光子中实际射出芯片的比例。由于高折射率半导体会通过全内反射将大部分光束缚在内部，光提取往往是瓶颈，一颗传统芯片发出的光子可能远少于其产生的数量。

电性能用壁插效率（WPE）来描述，即发出的光功率与输入电功率之比。每个注入的电子从偏置电压获得能量 $qV_f$，但发出的光子能量只有 $h\nu$。因此 $\eta_{\mathrm{WP}} = \eta_{\mathrm{EQE}} \cdot \dfrac{h\nu}{qV_f} \approx \eta_{\mathrm{EQE}} \cdot \dfrac{1240}{\lambda\,V_f}$，其中 λ 以纳米为单位，$V_f$ 以伏特为单位。因此，正向电压的影响是直接的：超过光子能量的那部分偏压会以热量形式消耗在串联电阻和接触处。例如，波长为 450 nm 的蓝色器件，若 $V_f = 3.0\ \mathrm{V}$，其电压因子约为 0.92，因此 60% 的 EQE 对应约 55% 的 WPE。

以瓦特计的辐射功率等辐射量对所有波长一视同仁，而光度单位只计入人眼能够响应的部分。流明是光通量的光度单位，由 $\Phi_v = K_m \int \Phi_{e,\lambda}(\lambda)\,V(\lambda)\,d\lambda$ 给出，其中 $V(\lambda)$ 为明视觉光谱光视效率函数，$K_m = 683\ \mathrm{lm/W}$ 为辐射的最大光视效能，在 555 nm 处取得。坎德拉是发光强度的单位，等于每球面度一流明。因此，深红色 LED 的光通量远低于其辐射功率所暗示的水平。在 650 nm 处，$V(\lambda)$ 约为 0.107，理论上限约为 73 lm/W，而红外发射器对可见亮度毫无贡献。

光视效能定义为 $\eta = \Phi_v / P_{\mathrm{el}}$，单位为流明每瓦，是比较光源的实用指标。光视效率是该效能与 683 lm/W 上限之比，是一个无量纲数，其数值既取决于转换损失，也取决于发射光谱。在白光 LED 中，整体效能结合了蓝光芯片的壁插效率与荧光粉的转换效率，任一阶段的损失都会降低最终结果。实验室演示曾报道过个别器件的极高数值。例如，在图形化蓝宝石衬底上制作的 527 nm 绿色 InGaN LED，据报道其峰值 EQE 约为 53%，光视效能为 329 lm/W。这些数字描述的是特定条件下的特定器件，不应被理解为商业产品的典型性能。

效率并非器件的固定属性。IQE 通常在低驱动电流下随着缺陷相关损失趋于饱和而升高，随后在高电流密度下下降，这一现象称为效率骤降（efficiency droop），将在有关未解决问题的小节中讨论。结温升高会增加非辐射复合，降低效率，并使发射波长发生偏移。由于人眼灵敏度随波长变化，这又会改变光视效能。因此，所报告的效能只有结合测量时的驱动电流、脉冲或连续工作方式以及结温，才有意义。

测量本身也会带来不确定度。总光通量通常使用积分球测定，结果取决于仪器是否经过校准，而校准所依据的标准需可溯源至国家计量学研究机构。因此，所报告的数值带有测量不确定度，在比较不同厂商的产品时必须加以考虑，尤其是测试规程不同的情况下。

电学与热学特性

LED 是在半导体材料中形成的 p–n 结，因此其电流–电压关系遵循二极管的整流规律。低于某一阈值时，几乎没有电流通过。超过阈值后，电流随电压急剧上升。这一阈值称为正向电压，主要由有源层的带隙决定。电子与空穴复合时释放的光子能量大致等于带隙能量，带隙越宽，载流子就需要越大的电势差才能复合。因此，带隙约为 1.8 至 2 eV 的红色器件大约在 2 V 时开始导通，而基于氮化镓合金的蓝色和白色器件通常需要更高的电压。白光 LED 由蓝光芯片与荧光粉组合而成，其正向电压通常标注在约 2.8 至 4.0 V 的范围内，这一范围也反映了不同器件之间的制造公差。

这条曲线的陡峭程度决定了 LED 的供电方式。电压的微小变化会引起电流的大幅变化，因此如果将 LED 直接接在固定电压电源上，可能会流过过大的电流而损坏。常见的两种解决方法是：一是串联电阻器，方法简单，但会浪费能量，且对电源波动的适应能力较差；二是恒流驱动器，它可以稳定电流，并消除不同器件正向电压之间的差异。正向电压并非固定不变：结温升高时它会下降，每摄氏度下降几毫伏；温度较低时它会上升，这在低温启动时可能成为实际问题。因此，驱动器设计通常会留出一定的电压余量，以确保一串 LED 在低温下也能正常启动并达到额定电流。

调光通常有两种方式。模拟调光通过降低驱动电流实现，但在低亮度时可能导致颜色偏移，并降低效率。脉宽调制（PWM）则以固定频率让 LED 完全导通和关断，通过改变导通时间的占比来调节亮度，因而能保持颜色稳定。开关频率必须足够高，使人眼察觉不到闪烁。通常认为超过约 100 Hz 即可避免可见闪烁，而大约 500 Hz 至 1 kHz 的频率则常被推荐，用以避免驱动器产生可听噪声。视频拍摄和高速摄影可能需要更高的频率。兼容性是另一个问题。为白炽灯和卤素灯负载设计的相位切割调光器，可能无法产生驱动器能够识别的信号；此外，驱动器在极低负载或极低调光水平下也可能无法稳定工作。结果可能表现为闪烁、嗡嗡声或突然熄灭。解决办法通常是让调光器类型与驱动器相匹配，例如在适当的场合选用 0–10 V 或数字协议。

热量是最主要的热学问题。电能输入中只有一部分以光的形式离开芯片，其余部分则在结区内转化为热量。结温取决于耗散功率、环境温度以及结与周围环境之间的热阻。结温升高会带来多方面的影响。发光峰值会发生偏移，通常向长波方向移动，从而改变输出光的颜色。非辐射复合的概率增加，内量子效率和光输出随之下降。热量还会加速导致器件衰退的化学和结构变化，包括荧光粉和封装材料的变色。在恒压设计中，发热器件的正向电压下降，可能使其电流增大，进而加剧发热，形成正反馈回路，驱动器必须加以防止。由于这些原因，本文其他部分讨论的封装与散热是电气设计不可分割的一部分。同样的功率水平下，光输出和寿命可能因热量从芯片导出的效率不同而大相径庭。因此，热学特性与驱动电流的选择密切相关，这一点在关于效率和寿命的章节中也有讨论。

寿命、衰减与可靠性

LED 产品很少突然失效。其光输出会缓慢下降，因此业界将寿命定义为：输出降至初始值某一选定比例时所需的工作时间。最常用的基准是 L70，即光输出保持为初始值 70% 的时刻；对要求更严格的应用则使用 L80 和 L90。因此，一只仍能发光的 LED 不一定达到了其标称规格。流明衰减、色偏，以及驱动器或焊点失效，是各自独立的问题，单一的寿命数值可能掩盖其中任何一种。

导致光输出下降的物理过程有多种。在芯片内部，随时间增长的缺陷会增加非辐射复合，使注入的载流子中能产生光子的比例降低。在封装好的白光 LED 中，封装材料和荧光粉层更容易受损。包裹荧光粉的硅胶和环氧树脂黏结剂会吸收芯片发出的蓝光和热量，这可能使高分子链断裂、材料氧化并发黄。这会降低光提取效率并导致色偏。荧光粉本身也可能变色，据报道，部分纳米荧光粉在约 60–80 °C 以上会迅速劣化。湿气是另一条途径：它可能使荧光粉和封装材料发生水解，腐蚀金属引线框架，并使镀银反射器失去光泽。在高温老化试验中，分层之后，暴露的引线框架表面生成了氯化银，并被确认为光输出损失的主要原因之一。反复开关造成的热机械应力会使焊点和芯片粘接材料疲劳，从而提高热阻，进而抬高工作温度。测量结果还表明，通电工作的器件比不通电的器件衰减更快，因为热量会加速上述所有过程。

制造商和标准机构用两种相互关联的方法量化这些影响。由照明工程学会（IES）发布的 LM-80 规定了在多个受控温度下测量 LED 封装、阵列和模组流明维持率与色偏的方法。其要求的最短测试时长为 6,000 小时，推荐 10,000 小时，读数间隔至少为 1,000 小时。LM-80 本身不对测试时长之外的情况作外推。这一任务由 2011 年推出的 TM-21 承担：它将指数衰减模型拟合到 LM-80 数据上，并推算出 L70 等数值。TM-21 将任何推算的时长限制在测试时长的六倍以内，因此一组 6,000 小时的数据最多只能支持 36,000 小时的寿命声明。超过这一限制的声明（例如许多宣传中的“十万小时”标称值）通常被该标准视为缺乏依据。此外，TM-21 适用于元器件而非完整灯具，因此系统级寿命需要单独评估。

最重要的工作变量是结温，即半导体芯片本身的温度，而非环境空气或外壳的温度。驱动电流越大，产生的热量越多，衰减也越快；而低电流和适中的温度则会减缓色度偏移，甚至可能使其几乎不发生。因此，同一器件在通风良好的灯具中与在封闭、高温的灯具中，寿命可能相差悬殊。包括散热器、电路板材料以及从芯片到环境的热通路在内的热设计，因此是可靠性的核心。由于实际寿命取决于这些条件，只有注明测试温度和电流时，数据手册中的数值才有意义；比较不同产品时，应采用相同的条件。

历史发展

最早的观察可以追溯到二十世纪的第一个十年。英国马可尼实验室的一个电路中，碳化硅（金刚砂）晶体被发现会发光。这一发现通常被定为1906年，相关报告发表于1907年初。固态二极管的电致发光由马可尼实验室的亨利·约瑟夫·朗德（Henry Joseph Round）于1906年发现，并于1907年2月发表在《电气世界》（Electrical World）上。根据晶体和电压的不同，样品可以发出黄色、浅绿色、橙色或蓝色的光。由于碳化硅是间接带隙材料，发光效率很低，因此光输出非常微弱。

二十世纪20年代，这一研究重新受到关注。洛谢夫（Losev）研究了用于无线电接收机中的氧化锌和碳化硅晶体整流二极管的发光现象。他得出结论：这种发光是冷光而非热辐射，并且与结的整流作用有关。他于1927年申请的“光继电器”专利指向了光信号传输，这一应用至今仍是LED通信研究的核心。

下一个重要进展出现在二十世纪50年代，研究重心转向砷化镓。1955年，美国无线电公司（RCA）记录了砷化镓及相关合金的红外发射现象。同年，RCA的鲁宾·布劳恩斯坦（Rubin Braunstein）报告了砷化镓（GaAs）和半导体合金的红外发射。关于哪一个里程碑算作第一个实用LED，各方说法不一。德州仪器的研究人员于1961年开发出红外器件，但由于其输出光线肉眼不可见，因此更常被引用的突破是随后出现的可见光器件。

这一突破来自通用电气公司的尼克·霍洛尼亚克（Nick Holonyak Jr.）。他大约在1960年开始研制可见光谱的器件，在通用电气工作期间培育砷化镓磷（GaAs1-xPx）合金，并于1960年开始研究可见光发光二极管。通过改变磷的含量，他将发射光从红外移到了光谱的红色部分。1962年10月，由这种合金制成的红色器件实现了室温工作。霍洛尼亚克培育出的砷化镓磷晶体制成了能发出可见红光的LED，这使其真正具有实用价值，而不再只是实验室里的奇观。

商业化生产在十年内随之到来。在1968年之前，可见光和红外LED成本极高，每个约为200美元，因此几乎没有实际用途。随后，孟山都（Monsanto）大批量生产砷化镓磷红色指示灯芯片，惠普（Hewlett-Packard）最初使用的正是孟山都供应的砷化镓磷。1972年，霍洛尼亚克的学生乔治·克拉福德（M. George Craford）领导的研究团队制成了一种黄色器件以及亮度大得多的红色器件。绿色发光器件于20世纪70年代问世，但蓝色直到90年代才得以实现。

蓝光的实现要困难得多。氮化镓（GaN）是一种很有希望的材料，因为它的带隙较宽，对应于紫外光的带隙能量较大，理论上是制造蓝色LED的理想材料。然而，生长高质量晶体和制备p型材料是两大严峻障碍。这两个问题分别在20世纪80年代末和90年代初由赤崎勇与天野浩，以及中村修二独立解决。获得优质晶体的工作完成于80年代末至90年代初。另一个难题是掺杂，即如何对氮化镓进行掺杂使其成为p型半导体，而这对制造LED至关重要。名古屋研究组于1992年报告了第一个蓝光二极管。

赤崎勇、天野浩和中村修二因这项工作共同获得了2014年诺贝尔物理学奖。尽管科学界和产业界都做出了巨大努力，蓝色LED仍然困扰了人们三十年。诺贝尔奖的表彰词称这一成就为“高效蓝色发光二极管的发明，它使明亮且节能的白色光源成为可能”。一旦蓝光发射器件问世，白光就可以通过将蓝光器件与红光和绿光光源组合，或与荧光粉结合而产生，这也是当今大多数LED照明的基础。

按功能划分的无机 LED 类型

无机 LED 由结晶半导体层构成二极管结构，通常按其用途分类。功能决定了芯片尺寸、驱动电流、封装形式和热设计，因此指示灯与路灯模组之间的差异远不止亮度一项。

指示灯 LED

指示灯 LED 是该系列中体积最小、功率最低的器件。其驱动电流一般为几毫安到二十毫安左右，用作家电、仪器和网络设备上的电源、待机和状态指示灯。许多指示灯还被排列成七段式或点阵式显示屏，用于显示数字和字母数字信息。由于发光面积小、发热量低，它们可以采用简单、廉价的封装，这也是它们成为最早大规模商用 LED 产品的原因之一。

大功率照明 LED

大功率器件的工作电流为数百毫安，通常可达一安培或更高，并采用更大的芯片以输出可用的光通量。未转化为光的大部分电功率会变成热量，因此这类 LED 依赖金属基板或陶瓷基板以及散热器来高效导出热量。它们的主要应用包括普通照明、汽车前大灯和信号灯，以及投影设备，在这些场合，紧凑而明亮的光源取代了体积更大的灯具。因此，热管理是这类器件设计中的限制性因素，而非次要问题。

红外发射器

红外发射器工作在可见光红端之外，位于电磁波谱的红外区段。850 nm 和 940 nm 附近的近红外器件常见于电视遥控器以及接近传感器和光学传感器中。在光纤通信中，LED 用于近 850 nm 和 1300 nm 的短距多模链路传输信号，而长距离系统则依靠工作在 1310 nm 和 1550 nm 窗口的激光二极管，这两个波段的光纤损耗最低。

紫外 LED

紫外 LED 覆盖 UV-A 波段（约 315–400 nm），以及近年来出现的 UV-C 波段（低于约 280 nm）。UV-A 器件用于油墨和胶黏剂的固化，以及在紫外光下发出荧光的防伪标记。UV-C 器件的发射波长通常在 260–280 nm 附近，正逐步用于水、空气和表面的消毒杀菌。其效率仍远低于可见光 LED，主要原因是富铝氮化物难以掺杂，且光难以从中导出。

封装形式

封装与功能相匹配。采用标准尺寸的表面贴装器件（SMD），如 3528（约 3.5 × 2.8 mm）和 5050（5.0 × 5.0 mm）等规格，由自动化设备贴装到电子组装的电路板上。直插式灯珠通常直径为 3 mm 或 5 mm，在指示灯和手工组装产品中仍然很常见。多芯片 RGB 封装将红、绿、蓝三颗晶粒置于同一外壳内，可用于显示屏和建筑照明装置的混色。板上芯片（COB）模组将多颗裸晶直接安装在同一基板上，并覆盖荧光粉层，形成高密度、高亮度的光源，用于筒灯和射灯。

有机、量子点、钙钛矿与微型LED技术

有机发光二极管（OLED）以极薄的薄膜叠层作为器件的活性部分，其发光层由小分子碳基化合物或聚合物构成。由于这些薄膜可以大面积沉积，也可以制备在柔性基底上，OLED 适用于每个像素自身发光、无需单独背光源的显示器。其颜色和效率取决于所选用的有机材料，因此设计工作的重心在于分子化学，而不是无机LED中占主导地位的晶体生长。

量子点LED（QLED）使用半导体纳米晶体，其尺寸决定发光颜色。较小的量子点发出较短波长的光，因此同一类材料即可覆盖一系列窄带、高饱和度的颜色。最早的高效量子点含有有毒的镉，含镉量子点已取得显著进展，主要得益于其优异的稳定性。具体而言，红色和绿色QLED已基本达到产业标准。为应对监管和环境方面的担忧，人们开发了无镉替代品，主要基于磷化铟和硒化锌化合物。蓝色是最难实现的颜色。一项研究报道了无镉蓝光量子点LED，其量子产率达到1，效率达到理论极限，亮度高且工作寿命长；另一份报告中，磷化铟基器件的外量子效率达到26.6%。仍存在的问题包括大电流下的效率滚降，这通常与电荷不平衡以及带电量子点引发的俄歇复合有关。

钙钛矿LED使用金属卤化物化合物，其发光可在整个可见光范围内调节，同时保持较窄的发射谱线。一篇综述指出，这类材料可以具有极窄的发光带（半高全宽 FWHM ≤ 20 nm）以及易于调节的带隙（发光范围：410–850 nm）。效率提升迅速：PeLED 目前的外量子效率（EQE）已接近30%，与商用OLED相当。其他报告描述的器件峰值外量子效率为27.8%，开启电压为1.7伏。然而，稳定性仍是主要障碍。一篇综述称，PeLED 较差的工作稳定性是其走向商业应用的最大挑战；另有报道的一款器件峰值效率为25.6%，但在高亮度下的工作半衰期仅约两小时。将钙钛矿单元叠加在有机单元之上的混合串联器件，报道效率超过40%，显示了两种技术结合的潜力。

微型LED是由微米尺度无机发光体组成的阵列，通常基于氮化镓芯片，每个芯片充当一个独立像素。无机芯片具有高亮度、快速响应和长寿命等优点。与LCD和OLED相比，微型LED显示器具有高对比度、快速响应、宽色域、低功耗和长寿命等优势。若干障碍减缓了其商业推广。红色芯片通常生长在砷化镓晶圆上，而蓝色和绿色芯片生长在蓝宝石上，因此三种颜色必须被集成到同一块背板上。这使得巨量转移成为核心瓶颈，即需要将数百万颗微型LED从生长衬底转移到显示平面。规模十分庞大：一块4K电视显示屏约需2500万颗芯片。效率也会随芯片尺寸缩小而下降，因为外量子效率的主要损失来自LED侧壁或表面的缺陷和表面能态所形成的非辐射复合。像素缺陷的检测与修复是另外的技术难题。

照明应用

LED 已经在家庭、办公室、工厂和公共场所中取代了白炽灯以及许多荧光灯。这一转变主要通过两条途径实现。改造型灯具（retrofit lamps）设计为可直接安装在现有灯座和灯具中，因此建筑无需重新布线即可完成更换。集成式灯具则将 LED 模块、驱动器和光学元件组成一个整体，在新建建筑和商业项目中更为常见。推动普及的因素包括节能、使用寿命长，以及许多国家的能效法规。美国能源信息署报告称，以 LED 作为主要光源的家庭比例从2015年的约4%上升到2023年的54%。美国能源部预计，到2035年，LED 灯具将占据大多数照明装置。

街道、道路和建筑照明普遍采用 LED 灯具，这些灯具通常作为联网系统进行管理，而不是孤立的单个灯具。由于 LED 从一个较小的光源发光，其光学设计可以将光束更精确地导向路面或建筑立面，减少光线浪费，从而降低向邻近区域和天空的漫射光。调光和开关时间可以与检测车流、行人或环境日光的传感器联动，并通过中央软件掌握每个灯具的运行状态。建筑照明还利用多色 LED 封装能够变换颜色、呈现动态效果的特性；同时，LED 光源发热量低，使其适用于那些可能被高温灯具损坏的表面照明。这种可控性也引发了关于户外照明对野生动物影响的问题，本条目其他部分对此有所讨论。

在车辆上，LED 被用于前大灯、日间行车灯、刹车灯和转向灯以及车内照明。其体积小巧，使设计师在塑造灯具外壳时有更大的自由度；其快速开关的特性也意味着刹车信号能够远比白炽灯更快达到全亮度，因为白炽灯需要先加热灯丝才能发出全部光输出。LED 结构紧凑、发热量低，也使其适用于密集的灯组，以及那些高温灯丝会造成问题的密封组件。

园艺照明是一种专门的应用，其设计目标是光谱，而不仅仅是亮度。叶绿素在可见光谱的蓝光和红光部分吸收最强，在430纳米和660纳米附近有明显的吸收峰。研究人员通常认为，约600至700纳米之间的红光是驱动光合作用最有效的光线，而约400至500纳米的蓝光则有助于植物正常发育并形成理想的株型。由于窄带 LED 可以按精确比例组合，温室、垂直农场和生长箱中的种植者能够针对幼苗、营养生长或开花阶段调整光谱。不过，不同物种的结果并不一致。在一项于植物工厂中以 LED 光谱培育香蜂草的研究中，白光和富红光光谱带来了最佳的生长量和产量，而富蓝光光谱虽然对光合活性有明显影响，产量却较低。这类发现说明，园艺照明的设计者需要评估生物量和品质，而不仅仅是光合效率。

显示、信号与通信

液晶显示器本身不发光，因此 LED 已成为其背后的常用光源。在 LED 背光面板中，二极管通常有两种主要排布方式。侧入式设计将 LED 沿屏幕边缘排列，把光射入导光板，再由导光板将光均匀分布到整个面板。这种结构可以做得很薄，但每个 LED 发出的光要在导光板中传播较长距离，因此单独关闭某些 LED 对对比度的改善作用不大。直下式设计则在面板后方直接放置二维 LED 阵列。每个 LED 或每组 LED 都可以单独调光，从而提升动态对比度。代价是厚度增加：为避免亮点和亮度不均，扩散板必须与二极管保持一定距离，这使得显示器比侧入式更厚。电视、显示器、笔记本电脑和手机会根据更看重厚度还是画面对比度，在两者之间做出不同的取舍。

LED 也用于需要在远处、且常常是白天也要看清的信号显示。交通信号灯是最早的大规模应用之一。单色 LED 无需滤色片即可发出所需颜色，其定向发光的特性也省去了白炽灯信号灯所需的大型反光罩。去掉反光罩和滤色片，也消除了一个假光来源：环境阳光可能进入灯壳，再从透镜射出。LED 功耗更低、寿命更长，降低了维护成本。不过早期户外 LED 标志在阳光和高温下容易失效，直到设计者加入通风和遮光结构后才得以改善。大型视频墙和广告牌现在采用模块化 LED 面板，可拼成平面、曲面或不规则形状；临时性的版本则可以挂在墙上、悬吊或安装在卡车上。汽车上的刹车灯和转向灯等指示灯也使用 LED，因其体积小、开关速度快。

可见光通信利用 LED 照明传输数据。IEEE 802.15.7 标准于 2011 年发布，后被 2018 年的修订版取代，它定义了可见光波段（大致为 380 至 780 纳米）短距离链路的物理层和介质访问控制层。数据通过快速改变光强来编码，这种变化快到人眼无法察觉，因此同一个灯具既能照明房间，又能同时传输信息。原始标准支持最高 96 Mb/s 的数据速率。由于调制不能产生可见的闪烁，设计时必须考虑调光问题，并采用能保持平均亮度稳定的编码方案。这种方式广为人知的名称是 LiFi。其优点包括使用无需许可的频谱，以及不受无线电干扰；主要限制则是发射端与接收端之间需要保持清晰的光学通路。2018 年的修订版将其范围扩展到更宽的波长区间，从红外一直到紫外，即光无线通信。

红外 LED 与光电二极管配对，提供了消费电子中最常见的一些光学功能。由于发出的光位于可见光范围之外，用户看不到它，但探测器可以接收反射回来的红外光，从而判断物体是否靠近，例如在通话时自动关闭手机触摸屏。同样的配对也用于遥控器以及设备之间的简单光链路中，传输短距离数据，发射的脉冲被解读为指令或数字比特。这些应用依据的电磁波谱原理与可见光相同，但工作波长是为探测而非人眼视觉选择的。

健康、安全与环境影响

由于 LED 的输出集中在电磁波谱中相当窄的一段范围内，其光生物安全性需要与电气安全性分开评估。主要参考标准是 IEC 62471，它涵盖从紫外到红外、由电力驱动的非相干光源所发出的光辐射。产品据此被划分为不同风险等级，从豁免类到高风险类。

白光和蓝光 LED 最受关注的危害是蓝光危害。大约 400 至 500 纳米之间的波长可以驱动视网膜组织中的光化学反应，在长时间、高强度照射下，其中可能生成活性氧。许多白光 LED 的蓝光成分在约 440 纳米处达到峰值。由于这种损伤属于化学性质而非热效应，它会随反复暴露而累积，而且眼睛通常的回避反应可能来不及发生。严重的视网膜损伤可能导致盲点。

闪烁和眩光则是另一个与视觉舒适度相关的问题。闪烁可能来自设计不良的驱动电路，也可能来自低亮度下的脉宽调光，其影响很大程度上取决于驱动器的质量以及光的使用方式。并非所有生物医学应用都令人警惕。蓝光 LED 用于新生儿黄疸的光疗，紫外 LED 则用于临床环境的消毒。

生态影响是一个活跃的研究领域。许多动物依赖昼夜和月相的周期性光照来决定何时觅食、迁徙或交配，而人工光线可能干扰这些信号。在英国一项针对路边树篱的研究中，LED 路灯照射区域的毛虫数量约为未照明区域的一半，而钠灯造成的减少幅度较小。另一项针对飞蛾的分析发现，与高压钠灯相比，白光二极管对飞蛾数量、发育和取食的影响更为显著。在北美，每年因撞击建筑物而死亡的迁徙鸟类可能多达十亿只。常见的缓解措施包括为灯具加装遮光罩，使光线只照射在需要的地方，调暗户外照明，以及选用暖色光谱。因此，光污染对生态系统的影响是重要的设计考量。

与白炽灯相比，LED 不含汞，能以更少的电力提供相同的光照，额定寿命也长得多。不过，其报废环节仍引发诸多问题。每个灯具模块都集成了半导体、驱动器、金属和塑料，这使回收变得复杂，而日益增多的废弃灯具又加剧了电子垃圾问题。

经济、制造与知识产权

很少有照明技术像 LED 那样迅速变便宜。美国家用 LED 灯泡的网络零售数据显示，2011 年至 2014 年间价格每年下降 28% 至 44%，其中高流明灯具降价更快。分析人士将此描述为经验曲线，即累计产量增长时价格随之下降。各项估计并不一致：一项分析发现，累计产量每翻一番，LED A 型灯的价格约下降 18%；另一项研究则报告，2012 至 2013 年间累计出货量每翻一番，价格下降 20% 至 25%。两者都超过了早期照明技术每翻一番下降 14% 至 15% 的幅度。一条更简单的经验规律——海茨定律（Haitz's law）——以另一种方式表达了同样的趋势：每十年每流明的成本大约下降十倍，同时单个封装的光输出大幅提高。政府采购可以加速这一进程。印度的 UJALA 计划通过竞争性招标大批量采购灯泡，中标价格从第一轮的每只 310 卢比降至后几轮的低至 38 卢比。

芯片制造、封装和模块组装集中在东亚少数几个产业集群中，密集的供应商网络与大规模产能相互强化。这种集中也带来了价格竞争。一份市场研究摘要引用中国半导体行业协会的数据称，仅 2023 年中国 LED 芯片价格就下降了 20%；同一摘要估计，全球 LED 芯片产能比需求高出约 30%。这些数字来自商业机构，应视为估计值，而非官方统计数据。

政府政策是推动普及的主要动力。巴西和委内瑞拉于 2005 年开始逐步淘汰白炽灯，比欧盟早了好几年。在欧盟，生态设计框架通过第 244/2009 号法规，于 2009 至 2013 年间逐步淘汰白炽灯，随后淘汰范围扩大到卤素灯和荧光灯。在美国，《2007 年能源独立与安全法案》促使能源部收紧通用照明灯具的能效规定。该规定要求通用照明灯具的每瓦流明数超过 45，这已超出白炽灯和卤素灯技术的能力范围，因此这些灯实际上被排除在市场之外。国际能源署报告称，全球约 90 个国家采用最低能效标准，禁止发光效率低的照明产品；全球约 50% 的住宅照明销售使用 LED 技术。

这一器件的商业发展史，同时也是一部专利纠纷史。最受关注的案例涉及中村修二，他在日亚化学工作期间开发了氮化镓蓝光 LED。他每提交一项专利只获得象征性的报酬。2001 年，他起诉前雇主，主张其关键蓝光 LED 专利未获得充分的回报。2004 年，东京地方法院判决日亚化学向他一次性支付 200 亿日元。此案随后上诉至东京高等法院，该法院于 2005 年 1 月促成和解，金额约为 8.4 亿至 8.44 亿日元，不同报道中的数字略有出入。这一和解金额是日本员工职务发明补偿的最高纪录，并促使各公司重新审视其奖酬制度。整个行业中的专利权纠纷也并非仅靠诉讼解决，许可授权同样发挥了作用。2009 年，日亚化学与首尔半导体在多个司法辖区内和解了全部专利诉讼，协议包括一项交叉许可，涵盖 LED 和激光二极管两项技术。

标准化促进了市场的成熟。通用的表面贴装封装尺寸使不同供应商的芯片和模块都能适配相同的电路板布局。制造商还会按波长、光通量和正向电压对产品进行分档（即"分选"，bin），以便买家指定配对的器件。这些做法降低了依赖单一供应商的风险，也使新进入者更容易在价格和性能上展开竞争。

与激光器、光电二极管和太阳能电池的关系

激光二极管与发光二极管建立在同一类 p–n 结上，但它增加了光学谐振腔。晶体的两个端面充当反射镜，器件的驱动强度足以使受激辐射占据主导。一个能量合适的入射光子可以触发电子–空穴对复合，并释放出第二个光子，二者具有相同的波长、传播方向和相位。这些光子在两个反射镜之间来回反射，每经过一次都会得到增强。在阈值电流以下，激光二极管的行为与发光二极管相近，发出的是宽光谱的自发辐射光。超过阈值后，光输出急剧上升，光变得相干、波长范围窄且方向性很强。

普通发光二极管几乎完全依赖自发辐射。每一次复合事件都会以随机方向、随机相位释放一个光子，因此输出是非相干的，光谱宽度通常为几十纳米。也有一些器件介于两者之间：超辐射发光二极管抑制了谐振腔的反馈，使其能输出较高功率，同时其光谱和相干长度更接近发光二极管而非激光器。因此，两者的区别与其说是一条清晰的界线，不如说取决于谐振腔对发射过程的反馈强度。

同一个结也可以反向工作。在反向偏置或零偏置下，其能量超过带隙的光子会在耗尽区被吸收，并产生电子–空穴对。内建电场会在载流子复合之前将它们分离，从而产生与入射光功率成正比的光电流。这就是使半导体光电二极管成为光探测器的内光电效应。光电二极管专为这一用途而优化，采用较薄或位置经过精心设计的吸收区、减反射镀膜，并针对待探测波长选择材料。例如，硅被广泛用于可见光和近红外探测。

在太阳能电池中，该结工作在发电象限，被吸收的光驱动载流子通过外部负载，同时产生电压和电流。带隙对这一过程的约束方式与其在发光二极管中的作用相似。带隙过大，则吸收的太阳光子过少；带隙过小，则载流子会热化，并将光子能量以热的形式浪费掉，而开路电压又直接受制于带隙本身。发射与吸收之间的互易性源于细致平衡原理：在合适条件下能高效发光的材料，通常也能高效吸收光。这就是为什么发光二极管也能探测光，某些低成本光学传感方案正是利用这一性质，例如由一只发光二极管发射、另一只探测的器件对。不过，互易性也有其局限。硅是间接带隙材料，发光很弱，因此很少用于制作发光二极管，但它却是优秀的光吸收体，是光电二极管和太阳能电池的主要材料。

所有这些器件都共享量子力学和掺杂理论中描述的能带结构物理。能带、载流子分布，以及电子和空穴在结处的行为，是发光二极管、激光二极管、光电二极管、太阳能电池和晶体管共同的基础。因此，晶体生长、掺杂控制和结构设计方面的进展往往同时惠及多个器件家族。某一领域的进步也会凸显另一领域的限制：使某种材料成为良好发光二极管的载流子动力学，同样可能使它成为较差的探测器，反之亦然。

未解决的问题与研究前沿

效率骤降（efficiency droop）指随着驱动电流密度升高，LED 的内量子效率下降，它限制了单颗芯片所能发出的光通量。多年来，主流解释是俄歇复合（Auger recombination）。在这一过程中，一对电子–空穴复合时不发射光子，而是把能量转移给第三个载流子。最常见的机制是三粒子相互作用，即两个电子加一个空穴，或两个空穴加一个电子。2011 年，加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）的克里斯·范·德·瓦勒（Chris van de Walle）团队提出，这一过程是氮化物 LED 出现效率骤降的原因。2013 年，斯佩克（Speck）、韦斯布赫（Weisbuch）等人的实验在工作器件中探测到高能电子发射，这正是俄歇过程的特征。不过，这一争论尚未完全平息，因为把实测效率拟合到常用的 ABC 模型时，几乎必然会把效率骤降归因于俄歇复合，而不论其真实成因如何。其他解释则指出，热电子会溢出有源区，或载流子分布不均匀。

“绿色缺口”（green gap）指发射波长约在 530 纳米及更长波段的发光器件效率不足的问题。绿光 LED 的量子效率仍明显低于蓝光和红光器件，这一效率落差在固态照明行业中通常被称为“绿色缺口”。主要困难来自 InGaN 合金。提高铟含量可使发射波长向绿光方向移动，但也会增强量子阱内由极化效应引起的电场，使电子和空穴相互分离，从而降低两者的波函数交叠，进而减少复合概率。富铟层还存在 GaN 与 InN 之间的晶格失配，会产生缺陷；而任何 InGaN 合金中天然存在的铟浓度随机涨落，也会因其随机性而降低辐射复合速率。这一缺口具有重要的商业意义：通过混合红、绿、蓝芯片实现的无荧光粉白光，需要一颗发射波长接近 530 纳米的绿光发光体，而这恰好位于“绿色缺口”的中心附近。迄今为止，荧光粉转换型绿光光源在效率上一直优于直接发绿光的 GaN 基绿光 LED。

基于富铝 AlGaN 的深紫外 LED 远远落后于其可见光同类器件。与基于 InGaN 的蓝光 LED 相比，AlGaN 基深紫外 LED 的效率仍然很低。多重问题相互叠加。穿透位错（threading dislocations）在这里尤其有害：AlGaN 量子阱通常生长在穿透位错密度（TDD）很高的 AlN 模板上，其内量子效率可低至 1%。掺杂也是一大障碍：在高铝含量（Al > 60%）的 p 型 AlGaN 中，空穴浓度很低，限制了空穴向有源区的注入。出光同样是一个难题，因为 p 型 GaN 接触层会吸收紫外光，而 AlGaN 自身的固有光学性质又限制了有多少光子能够逸出，深紫外光子的出光效率受到 AlGaN 材料本征特性的显著限制。这些问题之所以重要，是因为深紫外光源被寻求用于空气和水的净化、食品加工中的杀菌、紫外固化、医疗及国防相关光源，并有望最终取代含汞灯。

Micro-LED、钙钛矿 LED 和量子点 LED 各自面临不同的挑战。Micro-LED 显示需要将数量极其庞大的微米级芯片精确放置到背板上，因此巨量转移、良率和亮度均匀性成为核心工程难题。钙钛矿和量子点发光材料则需要更长的工作寿命，其发展过程中也包括去除配方中有毒重金属的努力。

参考来源

1. The wavelength range of LEDstoshiba.semicon-storage.com
2. Gallium arsenide phosphide - Knowledge and Referencestaylorandfrancis.com
3. 3.3.9: Light Emitting Diode - Engineering LibreTextseng.libretexts.org
4. Direct Band Gap Wurtzite Gallium Phosphide Nanowires - PMCpmc.ncbi.nlm.nih.gov
5. Gallium phosphideen.wikipedia.org
6. Green luminescence efficiency in gallium phosphideresearchgate.net
7. Wide bandgap semiconductor light emittersimage-ppubs.uspto.gov
8. White color light emitting deviceimage-ppubs.uspto.gov
9. 75 Years of Innovation: LED, first blue-light emitting diode - SRIsri.com
10. Light-Emitting Diodes in the Solid-State Lighting Systemsarxiv.org
11. Nick Holonyak, Jr.britannica.com
12. Vacuum light emitting diodeimage-ppubs.uspto.gov
13. Epitaxial wafer for a light-emitting diode and a light-emitting diodeimage-ppubs.uspto.gov
14. AlGaInP LEDs break performance barriers (Cover Story) - Newscompoundsemiconductor.net
15. Light emitting diode with asymmetrical energy band structureimage-ppubs.uspto.gov
16. White-light emitting devices and methods for manufacturing the sameimage-ppubs.uspto.gov
17. Light-emitting deviceimage-ppubs.uspto.gov
18. Monolithic integration of AlGaInP-based red and InGaN-based green LEDs via adhesive bonding for multicolor emissionnature.com
19. What is an LED?buildings.com
20. AlGaInP red-emitting light emitting diode under extremely high pulsed pumpingresearch.aston.ac.uk
21. Sapphire Substrate - an overviewsciencedirect.com
22. Defect analysis of the LED structure deposited on the sapphire substrate - ScienceDirectsciencedirect.com
23. Ultralow threading dislocation density in GaN epilayer on near-strain-free GaN compliant buffer layer and its applications in hetero-epitaxial LEDsncbi.nlm.nih.gov
24. Dislocation-specific lateral epitaxial overgrowth to reduce dislocation density of nitride filmsimage-ppubs.uspto.gov
25. (PDF) Characteristic enhancement of InGaN-based light emitting diodes grown on pattern sapphire substratesresearchgate.net
26. Dislocation analysis in homoepitaxial GaInN/GaN light emitting diode growth - ScienceDirectsciencedirect.com
27. Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applicationslink.aps.org
28. Method of fabricating semiconductor light emitting devicesimage-ppubs.uspto.gov
29. Quantum-Confined Stark Effect - an overviewsciencedirect.com
30. LED device with embedded top electrodeimage-ppubs.uspto.gov
31. (PDF) Effect of indium tin oxide (ITO) current spreading layer on the current uniformity of vertical structure GaN-based light-emitting diodesresearchgate.net
32. ito ohmic contact: Topics by Science.govscience.gov
33. Nickel Foam as a Substrate for III-nitride Nanowire Growtharxiv.org
34. Quantum Well Semiconductor Lasersfiberoptics4sale.com
35. What is Double Heterojunction (DH) LED : Structure, Working, Advantages and Disadvantagesrfwireless-world.com
36. Semiconductor Junction Structuresfiberoptics4sale.com
37. Monte Carlo simulation of indium tin oxide current spreading layers in light emitting diodes (Journal Article)osti.gov
38. AlGaInP light-emitting diodes with SACNTs as current-spreading layerlink.springer.com
39. Light emitting structures with selective carrier injection into multiple active layersimage-ppubs.uspto.gov
40. Light emitting diodes with improved light extraction efficiencyimage-ppubs.uspto.gov
41. Light emitting devices with improved light extraction efficiencyimage-ppubs.uspto.gov
42. Light Extraction - an overviewsciencedirect.com
43. Light emitting devices with improved light extraction efficiencyimage-ppubs.uspto.gov
44. Tripling the light extraction efficiency of a deep ultraviolet LED using a nanostructured p-contactnature.com
45. Blue LED (InGaN)-driven yellow and red emitting phosphor for white light generation - ScienceDirectsciencedirect.com
46. New yellow Ba0.93Eu0.07Al2O4 phosphor for warm-white light-emitting diodes through single-emitting-center conversionnature.com
47. Novel rare-earth-free yellow Ca5Zn3.92In0.08(V0.99Ta0.01O4)6 phosphors for dazzling white light-emitting diodesncbi.nlm.nih.gov
48. Blue-light-excited SrLu2Al2GaScSiO12:Ce3 + cyan-emitting garnet phosphor for high color rendering index full-spectrum WLEDs - ScienceDirectsciencedirect.com
49. Phosphor-converted white LED with low deviation of correlated color temperature and color coordinates and method of preparing the sameimage-ppubs.uspto.gov
50. Method of color mixing for an aviation anti-collision lightimage-ppubs.uspto.gov
51. blue led chips: Topics by Science.govscience.gov
52. LED drive circuitimage-ppubs.uspto.gov
53. Why LEDs Show Different Colors and How to Fix Themstarledprofile.com
54. Color Control System for RGB LED With Application to Light Sources Suffering From Prolonged Agingresearchgate.net
55. (PDF) Very high external quantum efficiency and wall-plug efficiency 527 nm InGaN green LEDs by MOCVDresearchgate.net
56. Luminous Efficacy and Efficiencyrp-photonics.com
57. Plug Efficiency - an overviewsciencedirect.com
58. Light-emitting device with low forward voltage and method for fabricating the sameimage-ppubs.uspto.gov
59. Luminous efficacyen.wikipedia.org
60. High luminous efficacy phosphor converted white LEDsimage-ppubs.uspto.gov
61. Constant power LED circuitimage-ppubs.uspto.gov
62. Adaptive startup method for constant current LED driversimage-ppubs.uspto.gov
63. Constant Voltage Vs. Constant Current LED Driversmy.avnet.com
64. 1 Junction temperature in light-emitting diodes assessed by different methodsproaudiodesignforum.com
65. Efficient LED Control: Exploring PWM Dimming - LEDYi Lightingledyilighting.com
66. LED Dimmer Compatibility: Fix Flickering & Pulsing Lightspanelsandplugs.com
67. LED Driver and Dimmer Compatibility Guide: How to Choose the Right Pair - Enoledenoled.com
68. LED Flickering: Is It the Light Source or the Driver?elisacustom.com
69. Lumen maintenanceen.wikipedia.org
70. Techniques for lumen maintenance and color shift compensationimage-ppubs.uspto.gov
71. Decroluxdecrolux.com.au
72. LM-80 vs. TM-21: Testing vs. Lifetime Projectionhi-hyperlite.com
73. Light Standard: What is TM-21? TM-21-19 or TM-21-21?ledlightexpert.com
74. LED Lighting Lifespan Guide: L70, L80, TM-21 Projections Explained for B2B Procurementksimpexp.com
75. PS-10-18: IES Position on LED Product Lifetime Prediction - Illuminating Engineering Societyies.org
76. Ageing Analysis of Light-Emitting Diodes Used in Consumer Lighting - PMCpmc.ncbi.nlm.nih.gov
77. Degradation Analysis of Silicone as Encapsulation and Molding Material in High Power LEDsintechopen.com
78. Next Generation Lighting Industry Alliance LED Systems Reliability Consortiumenergy.gov
79. Failure Mechanisms and Color Stability in Light-Emitting ...osti.gov
80. Degradation Physics of High Power LEDs in Outdoor Environment and the Role of Phosphor in the degradation processnature.com
81. (PDF) Investigation on Some Parameters Affecting Optical Degradation of LED Packages During High-Temperature Agingresearchgate.net
82. Thermal conductivity and phase transition heat transfer mechanism including optical element to be cooled by heat transfer of the mechanismimage-ppubs.uspto.gov
83. Hot light emitting diode (LED) lighting systemsimage-ppubs.uspto.gov
84. Light-emitting diodeen.wikipedia.org
85. Light emitting diodeimage-ppubs.uspto.gov
86. Nick Holonyak Jr., pioneer of LED lighting, diesece.illinois.edu
87. The First Visible LED Glowed Red - DEV Communitydev.to
88. 0% found this document useful (0 votes)scribd.com
89. Gallium arsenide phosphidebritannica.com
90. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura win 2014 Nobel Prize for Physicsphysicsworld.com
91. The 2014 Nobel Prize in Physics - Press release - NobelPrize.orgnobelprize.org
92. History of the LEDen.wikipedia.org
93. The long history of light-emitting diodes - RadioLocmanradiolocman.com
94. Nick Holonyak, Jr. - Inventor of the First Visible LED - Radiant Historyradianthistory.com
95. History Of Light-emitting Diodehykolity.com
96. Nobel Prize in Physics 2014 - ChemistryViewschemistryviews.org
97. Full article: A comprehensive review on the lifetime of cadmium-free quantum-dot light-emitting diodestandfonline.com
98. Efficient and stable blue quantum dot light-emitting diodenature.com
99. Blue cadmium-free and air-fabricated quantum dot light-emitting diodespubs.aip.org
100. Efficient and stable hybrid perovskite-organic light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 40 per centncbi.nlm.nih.gov
101. Highly stable perovskite light-emitting diodes: Mattercell.com
102. Diode arrayimage-ppubs.uspto.gov
103. Mass transfer, detection and repair technologies in micro-LED displayslink.springer.com
104. Mass transfer for Micro-LED display: Transfer printing techniques - ScienceDirectsciencedirect.com
105. Perovskite LEDs with an external quantum efficiency exceeding 25%communities.springernature.com
106. Efficient and stable hybrid perovskite-organic light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 40 per centnature.com
107. Ultralow voltage–driven efficient and stable perovskite light-emitting diodesscience.org
108. Highly efficient light-emitting diodes via self-assembled InP quantum dotsncbi.nlm.nih.gov
109. Future trends of display technology: micro-LEDs toward transparent, free-form, and near-eye displaysnature.com
110. LED Lighting Statistics to Know in 2025ledlightingsupply.com
111. LED lighting Market Share, Size and Industry Growth Analysis 2021 - 2026industryarc.com
112. LED Lighting Market Size, Share & Growth Report 2026-2033grandviewresearch.com
113. Spectral effects of light-emitting diodes on plant growth, visual color quality, and photosynthetic photon efficacy: White versus blue plus red radiationncbi.nlm.nih.gov
114. The Impact of LED Lighting Spectra in a Plant Factory on the Growth, Physiological Traits and Essential Oil Content of Lemon Balm (Melissa officinalis)ncbi.nlm.nih.gov
115. LED Grow Lights for Horticulturewaveformlighting.com
116. LED-backlit LCDen.wikipedia.org
117. Backlights including patterned reflectorsimage-ppubs.uspto.gov
118. Backlight unit and display deviceimage-ppubs.uspto.gov
119. Methods and apparatus to construct an ultrathin display panelimage-ppubs.uspto.gov
120. LED indicator lampimage-ppubs.uspto.gov
121. LED lamp with prismatic cover lensimage-ppubs.uspto.gov
122. Information display signimage-ppubs.uspto.gov
123. LED traffic light with individual LED reflectorsimage-ppubs.uspto.gov
124. Methods and systems of large scale video displayimage-ppubs.uspto.gov
125. IEEE 802.15.7-2011 - IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Lightstandards.ieee.org
126. IEEE SA - IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Lightstandards.ieee.org
127. [PDF] IEEE 802.15.7 visible light communication: modulation schemes and dimming supportsemanticscholar.org
128. Visible Light Communication Technologies: A Review of IEEE 802.15.7 and Its Role in Next‐Generation Networks - Bhutani - 2025 - International Journal of Communication Systems - Wiley Online Libraryonlinelibrary.wiley.com
129. IEC 62471 Blue Light Hazard Explained - Custom LED Strip Manufacturer From Chinasignliteled.com
130. For visible lamp radiation, including the radiation emitted from LEDs, thereenvironmentallights.com
131. Blue Light Safety - Konica Minolta Sensingsensing.konicaminolta.us
132. Photobiological Safety (EN 62471): Blue Light Hazard Explainedfanxstar.com
133. Want to help wildlife? Turn off your lights.nationalgeographic.com
134. LEDs may cause more insect declines than other lights - The Wildlife Societywildlife.org
135. Street lighting has detrimental impacts on local insect populationsscience.org
136. How light pollution can imperil migrating birds by luring them into citiespbs.org
137. The evolving price of household LED lamps: Recent trends and historicalosti.gov
138. Recent price trends and learning curves for household LED lamps from a regression analysis of Internet retail dataeta.lbl.gov
139. India’s LED Lighting Storyenergy.prayaspune.org
140. LED Material Market Size, Growth Outlook 2034emergenresearch.com
141. The incandescent light bulb phase-out: exploring patterns of framing the governance of discontinuing a socio-technical regimelink.springer.com
142. US & EU Complete Incandescent & Halogen Lamp Phase Outslightnowblog.com
143. Lighting - IEAiea.org
144. LED firm rejects Nobel laureate's olive branchphysicsworld.com
145. IPBiz: Nichia/Nakamura settle over blue LEDipbiz.blogspot.com
146. Nichiaen.wikipedia.org
147. LEDs: Two decades of glorious growth - Newscompoundsemiconductor.net
148. Fiber delivered laser induced white light systemimage-ppubs.uspto.gov
149. Quantum well superluminescent diodeimage-ppubs.uspto.gov
150. Superluminescent diode having a quantum well and cavity length dependent threshold currentimage-ppubs.uspto.gov
151. What are Laser Diodes?techweb.rohm.com
152. LEDs and Laser Diodes: A Tale of Two Semiconductor Devicesthors.com
153. Laser diodes or LEDs what sets them apart - Utmelutmel.com
154. (PDF) Identification of Auger effect as the dominant mechanism for efficiency droop of LEDsresearchgate.net
155. Efficiency Models for GaN-based Light-Emitting Diodes: Status and Challengesarxiv.org
156. Green gap in GaN-based light-emitting diodes: in perspectiveresearchgate.net
157. 1 The unexpected origin of the quantum efficiency reduction (“greenosti.gov
158. Unraveling the "Green Gap" problem: The role of random alloy fluctuations in InGaN/GaN light emitting diodesarxiv.org
159. Status of GaN-based green light-emitting diodes<xref ref-type="fn" rid="cpb150160fn1">*</xref>cpb.iphy.ac.cn
160. Research Progress of AlGaN-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodesncbi.nlm.nih.gov
161. Research Progress of AlGaN-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes - PMCpmc.ncbi.nlm.nih.gov
162. An elegant route to overcome fundamentally-limited light extraction in AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes: Preferential outcoupling of strong in-plane emissionncbi.nlm.nih.gov
163. algan uv leds: Topics by Science.govscience.gov
164. Cause of LED efficiency droop finally revealed: Auger recombination responsiblephys.org
165. (PDF) Auger effect identified as main cause of efficiency droop in LEDsresearchgate.net