光电二极管
光电二极管范文第1篇
1 做电磁振荡的演示实验
实验过程 如图1所示，电路中选用200μF的金属纸介电容器，L用大电感量（在500Hz以上）的线圈，两只高亮度的发光颜色不同的发光二极管（一只用发红光的，另一只用发绿光的），连接好电路。闭合开关S后，观察。
实验现象 观察到红、绿两只二极管依次交替发光的现象。
实验原理 说明LC振荡电路中振荡电流的存在。
2 做楞次定律的探究实验
实验过程 选用螺线管、导线、开关、条形磁铁和两只高亮度的发光颜色不同（可用红、绿色）的发光二极管，连接好电路(图2)。闭合开关，将条形磁铁插入螺线管中，观察。再将条形磁铁从螺线管中拉出，对比观察。
实验现象 当条形磁铁插入或拉出螺线管时，总会有一个发光二极管亮、一个发光二极管不亮的现象。现象如下表：
实验原理 说明当穿过闭合线圈的磁通量发生变化，线圈中会有电流产生，且感应电流的磁场与引起感应电流的磁通量的变化有关（即楞次定律）。
3 做交流电产生的演示实验
实验过程 将两只发光色不同（红、绿色）的发光二极管并联，接在单相交流发电机的两个接线柱上。用手快速摇动发电机的手柄，观察。
实验现象 两只红绿二极管交替发光，且一闪一闪的。
实验原理 说明单相交流发电机产生了方向随时间变化的电流。
4 做温度影响电阻率的演示实验
实验过程 如图3所示，将发光二极管（高亮度的）、钨丝、开关和电池用导线连成电路。闭合开关，用酒精灯焰烧钨丝，观察。过一会后，再移走酒精灯，观察。
实验现象 用酒精灯焰烧钨丝，观察到发光二极管的亮度越来越暗，直至熄灭。过一会移走酒精灯后，又观察到发光二极管的亮度越来越亮，直至正常。
实验原理 金属导体的电阻率随温度的升高而增大，电流减小，发光二极管的亮度变暗。
5 做断电自感的演示实验
实验过程 如图4所示，选用大电感量（在500Hz以上）的线圈L、两只高亮度的发光色不同（红、绿色）的发光二极管、小电珠、直流电源和开关连接好电路。闭合开关S的瞬间，观察。当电路稳定后，再断开开关观察。
光电二极管范文第2篇
【关键词】雪崩光电二极管 外差干涉激光测距 温度补偿 纹波 前置放大电路
1 引言
在激光干涉测距中，雪崩二极管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用，它对精度的提高有很大的影响。在激光测距中，激光从发射到接受会经过被测目标的漫反射，同时也有路程等的损失，所以接受到的光信号非常弱，这使得检测光信号相当困难，接受不当会影响到精度，所以综合考虑，我们采用雪崩光电二极管APD。APD不同于传统的光电二极管，它是建立在内光电效应基础上的光电器件，它具有内部增益和放大作用，同时响应的速度也很快，但是要发挥它的优势，需要加较大的反向偏置电压（一般在几十到几百伏），这样会伴随着有相对较大的纹波电压，电源的纹波电压变化范围越大，对雪崩二极管的影响就越大，所以本文设计了一种低纹波电压的电路。对于APD而言，温度的变化也会严重影响它的增益，所以需要接入温度补偿电路来改变PN结倍增区的电场。此外，APD在倍增的过程中产生的附加噪声会严重影响测量精度，本文对噪声进行了分析设计了一个有效的前置放大电路，实验表明该电路有效的提高了信噪比。将这些模块用于激光测距的接受模块，将会提高测量精度。
2 APD的工作原理
APD是一种P-N结型的光检测二极管，其内部利用载流子的雪崩倍增效应来放大光信号。在P-N结上加高的反向偏压，就可以加宽耗尽层并且在结区产生一个强的内建电场，当电场强度增大到一定程度时，耗尽层中的光生电子空穴对就会被加速，被加速后的电子空穴获得足够的能量就能与晶格碰撞产生新的电子空穴对。这种过程是连锁反应，这样就会产生较大的二次光电流，因此APD有较高的响应度和内部增益，这种内部增益提高了器件的信噪比。
3 APD温度补偿电路的设计和分析
3.1 温度补偿电路的原理分析
由于电子和空穴的电离速率取决于温度，所以在高偏置电压的条件下，一个小小的温度变化就能引起增益很大的变化。为了保证温度变化时增益变化较小，就需要变化PN结倍增区的电场，这样就需要接入一个温度补偿电路，在温度变化时调整光检测器的偏置电压。理论上可以证明，APD的增益是关于偏压和温度的函数，所以，当APD的偏压随着温度改变时，APD的增益就可以基本恒定，这就是APD温度漂移的偏压补偿原理。
APD相应的偏置电压值就会随温度变化，为了保持最佳增益，需设计温度补偿电路来控制APD的偏置电压，使APD在各种温度下都能以最佳倍增增益工作，从而使接收系统获得最大的信噪比。
APD放大电路输出功率信噪比SNR为：
式中：M是APD的雪崩增益， 为M=1时的光电流，F为过剩噪声系数。APD选择适当的偏压可以使SNR最大，此时APD对应的增益为最佳雪崩增益，加在其上的偏压为最佳偏压。此时的最佳雪崩增益由下式确定：
式中，x为APD的过剩噪音指数，其大小取决于APD的结构和材料。
3.2 偏压温度补偿电路的设计
SPD-052型硅雪崩光电探测器是0.4～1.1 波长光信号的优良探测器，兼备了高灵敏度、高速响应和低噪声三大优点，内部的雪崩倍增效应可达到120倍以上。当温度升高10度，雪崩电压升高2.2～2.6V，在其内部有一个温度补偿二极管IN941，所以我们用该温度二极管进行偏压补偿，整个电路由三部分组成：温度传感、运放和可控电压源。
3.2.1温度传感部分
当内部温度二极管工作在恒流状态时，其两端的电压和温度具有良好的线性关系和较高的灵敏度，恒流源电路如图3，由于运放A1的增益很高，近似有V2=V3，设稳压管D1的稳压值为U，则RW和R1两端的电压等于U，所以有流经温度二极管的电流I为：
因此，通过调节RW的大小，可以得到不同的恒流。
图3 恒流源电路
3.2.2运放部分
A1构成跟随器，同向端以IN941的电压作为输入；A2是同相放大器，调整Rw1可以设定A2在某一温度下的输出电压，Rw2来调整A2的增益，同时A2的输出作为可控电压源的控制输入。如图4：
图4 运放部分的原理图
3.2.3可控电压源部分
如图5所示，可控电压源采用高精度低温漂可控高压电源模块，其中，+V为直流电压输入端；Control为调整端，接运放A2的输出端；V0为输出端，为APD提供偏置电压，大小为： ，其中K1，K2为倍压常数，Vc为Control端输入电压。实验表明，该电源输出范围270～440V，输出电压稳定性小于0.05%，温度系数每摄氏度小于0.02%，符合APD的使用要求。
图5 可控电压源工作原理框图
4低纹波的反向偏置电压的设计
稳定电源一般包括整流电路、滤波电路和稳压电路三部分。整流电路将交流电转化为直流电，但是其中仍然含有大量的交流电成分，此时加入滤波电路来滤掉交流部分，但是输出电压中仍然含有一定的脉动交流成分，这种脉动交流成分称为纹波电压。
输出电压与输出电容的关系为：
光电二极管范文第3篇
关键词：单片机；发光二极管；光敏三极管
中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）19-4586-03
近年来，自动控制技术及生产自动化在国家工业建设中发挥了非常重要的角色。光电检测在自动控制和自动生产中起着不可替代的作用。早起自动化生产，一般采用机械化方式，随着半导体技术的发展和集成电路的出现，自动化生产越来越多的采用电器方式，光电检测是电器方式自动化经常采用的技术之一。
1 半导体二极管
二极管的核心是PN结，与PN结一样，二极管具有单向导电性，但是，由于二极管存在体电阻和引线电阻，二极管的伏安特性与PN结的伏安特性略有不同，在正向电压相同的情况下，二极管的正向电流小于PN结的正向电流；在反向偏置相同的情况下，由于二极管存在表面漏电流，二极管的反向电流大于PN结的反向电流，在近似分析时，PN结电流统一采用公式（1） 。
[i=IS（euUT-1）] （1）
测量二极管的伏安特性时发现，只有在正向电压足够大时，正向电流才从零随端电压按指数规律增大。使二极管开始导通的临界电压称为开启电压Uon ，不同的材料制成的二极管，开启电压不同，相应的导通电压、反向饱和电流也不同，如图1和表1。所示。本次设计用的是硅晶体二极管 [4]。
图1 二极管的伏安特性
表1 两种材料二极管对比
[材料＼&开启电压UOn/V＼&导通电压U/V＼&反向饱和电流IS/μA＼&硅（Si）＼&≈0.5＼&0.6-0.8＼&
发光二极管简称为LED，由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮（N）、铟（In）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出光波，因而可以用来制成各种发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，铟镓氮二极管发蓝光。
发光二极管把电能转化成光能。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内电子和空穴复合，产生自发辐射的光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，当电子和空穴复合时释放出的能量不同，发出的光波长不同。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。这里我们选用红色发光二极管。发光二极管原理与普通二极管一样，不过它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6-1.8V之间，绿色的约为2V。正向电流愈大，发光愈强。
2 光敏三极管
光敏三极管一般有光敏二极管和三极管组成。光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加，不过光敏二极管利用的是反向特性，工作时需加上反向电压，当受到光照时， 载流子在反向电压下漂移，反向饱和电流发生变化，它随入射光强度的变化而变化，因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件，和普通二极管相比，在结构上与普通二极管不同，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量做的小一些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光敏三极管是有光敏二极管与普通三极管组合而成的，光敏二极管把光照转化成电流传递给三极管基极，三极管把基极电流通过放大机理转化成集电极电流实现放大。在protus环境中，发光二极管和光敏三极管组合在一起，如图2所示。光敏三极管的输出特性曲线如图3所示。输出特性曲线满足公式（2） 。
[iC=f（uCE）IB=常数] （2）
图2 光敏三极管
图3 光敏三极管输出特性曲线
3 主控单元
单片机性能价格比高，体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。由于具有上述优点，单片机广泛应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等各个方面。该文采用AT89C51，AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机。AT89C51单片机主要由微处理器、数据存储器、程序存储器、4个8位并行I/O口、1个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统、特殊功能寄存器等八个功能部件组成[7]。
单片机的4个8位并行I/O口为P0、P1、P2、P3口。该文中只用到P1、P3口，下面简单介绍这两个端口的特点。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。P1口锁存器写入1后，CMOS管截止，这时可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。该文利用了P1.7管脚。当有物体遮住光电检测电路时，P1.7管脚所接的发光二极管发光。
P3口：由于单片机引脚数目有限，因此在P3口电路中增加了引脚的第二功能。P3口的某一引脚可以作为通用I/O使用，又可以根据需要，使用它的第二功能。该文利用了管脚P3.2的第二功能，也就是外部中断。P3.2管脚平时高电平，当有物体通过发光二极管和光敏三极管中间时，P3.2管脚平时低电平，单片机检测到电平由高电平变化到低电平时，执行中断程序，发光二极管发光，给出指示。中断程序框图如图4所示。
当有物体通过光电检测电路时，发光二极管发光， R6 为 ? 181 限流电阻。如图5所示：
图5 发光电路
光电检测电路如图6所示。当开关物体通过时时，发光二极管不会发光，此时光敏三极管处于截止状态，电路中的三极管Q1处于截止状态，P3.2管脚呈现低电平，单片机检测到低电平，执行中断程序，点亮发光二极管。当没有物体通过时，光敏三极管接收到发光二极管发出的光，光敏三极管导通，电路中的三极管Q1处于导通状态，P3.2管脚呈现高电平，单片机处于等待状态。
图6 光电检测电路
光电检测整体电路如图7所示。本电路结构利用单片机的最小系统，单片机的很多接口处于空闲状态，这为增加光电检测电路功能提供了可能。因为在仿真时，无法模拟物体通过光电检测系统，在电路结构中，以开关代替是否有物体通过，当开关闭合时，代表没有物体通过，当开关打开时代表有物体通过。
图7 光电检测整体电路
4 结论
本文利用单片机最小系统设计了光电检测电路，由仿真结果分析，本设计可以进行工业生产计数、工业生产安全监控等。由
于单片机的很多接口处于空闲状态，所以本系统可以增加其它检测功能。本设计目的是检验所学的理论知识，为以后的工程设计打下基本技能。
参考文献：
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[4] 童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2000.
[5] 何利民.单片机高级教程[M].北京：航空航天大学出版社，2000.
光电二极管范文第4篇
关键词：Proteus；仿真；光电传感器；教学
作者简介：刘丹（1976-），男，湖南长沙人，湖南商务职业技术学院电信系，讲师。（湖南 长沙 410205）
基金项目：本文系高等职业学校专业骨干教师部级培训项目电气自动化技术企业顶岗培训（项目编号：18122302）的研究成果。
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）30-0130-02
光电传感器是传感器与检测技术的一项重要内容，广泛应用于各种光控电路。光电传感器能够将光信号转换为电信号，利用一些特定材料的光电效应来实现对光信号的检测。由于是对光信号的检测，光电传感器在教学中搭建实物试验比较困难，内容显得较为抽象，有一定的教学难度，学生学习也有难度。笔者经过教学实践，利用计算机仿真技术，通过Proteus软件，搭建光电传感器虚拟实验，取得了较好的教学效果。
一、Proteus仿真教学简介
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。使用Proteus 软件进行传感器及其检测电路设计是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在教学实践中，通过使用 Proteus 软件对学生进行教学，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映对传感器的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，使用 Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作能极大提高系统设计效率。
二、光电效应及光电器件的Proteus仿真
1.光电效应
光可以认为是一种能量传递的方式，它是由一定能量的粒子组成，这种粒子叫做光子。光的频率越高，光子的能量越大，用光照射物体，可以看做是光子对该物体的一系列撞击，物体的粒子接受光子的撞击后获得能量，产生的电效应就是光电效应。光电效应分为内光电效应和外光电效应。光照射在某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电现象，也叫做光电发射。当光照射于某一物体上，使物体的导电能力发生变化，这种现象叫做内光电效应，也叫做光电导现象。利用内光电效应可以制成光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等光电转换器件，这些都是常见的光电传感器。
2.光电器件的Proteus仿真
利用光电效应可以制作出各种类型的光电转换器件，即光电传感器。常见的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电管等。
（1）光敏电阻。光敏电阻是基于内光电效应的光敏传感器，当有光照射时，其电阻值降低；光照越强，阻值越小。其暗电阻一般为1MΩ，其亮电阻（当光照为10lX时）一般为几百欧姆到几千欧姆。光敏电阻一般是将半导体材料粉末烧结在陶瓷衬底上面，形成一层膜，用两个引线引出。有的在外部用防潮材料或者玻璃外壳将其密封，起到保护作用。按照光谱特性及其工作波长，光敏电阻可分为紫外光、红外光和可见光光敏电阻。通过Proteus提供的光电元件，搭建的光敏电阻电路如图1所示，可以通过调节图中模拟的灯照强度来仿真光照的强度，箭头向上调节是光照加强，向下调节是光照减弱。通过调节光照强度可以在LDR1中获得一个随光照变化的电流，加上电阻分压电路，就可以构成一个光电电阻的仿真模型。当光照强度越大时，电流越大，电阻越小。此电路中，电流经电阻转换成电压，光照越强，输出电压越大。
（2）光敏二极管和光敏三极管。光敏二极管是一种利用PN结的单向导电性的结型光敏传感器，与一般的二极管不同的是，PN结上装有透明的外壳，用来接受光照。光敏三极管与普通三极管一样，有PNP和NPN两种类型，有两个PN结，其中集电结具有光敏特性，相当于一个光敏二极管。在应用时，集电结反偏、发射结正偏，在光照的影响下可以等效看成是光敏二极管产生的光电流在三极管中进行放大，其光电流比光敏二极管的光电流要大很多，也就是光敏三极管的灵敏度比光敏二极管要高。光敏三极管常用的材料一般是硅，一般只引出集电结和发射结，外形和发光二极管相同。光敏三极管的Proteus仿真电路如图2所示，光敏三极管跟光敏二极管类似，一般只有E和C极，没有光照时暗电流非常小，有光照时，电流随着光照强度增大而增大。在本电路中，发光二极管与光敏三极管是成对出现的，通过RV1来调节发光二极管中的电流，从而达到模拟调节光照强度的目的。电流越大，说明光照越强。光敏三极管感受发光二极管中的光照强度变化，E极和C极间的电流随着光照强度进行相应变化，通过调节RV1就可以调节光敏三极管的输出电流。
三、光电传感器的应用仿真
光电传感器的应用非常广泛，直接影响被测对象的光量变化的参数都可以直接检测，而现实中引起光亮变化的因素有很多，可以是光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可以把其他被测的非电量参数转换成光量变化来进行检测，这些参数可以是零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度。光电传感器还可以应用于物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得了广泛应用。
上面已经搭建好了光敏电阻和光敏三极管两个光敏器件的仿真模型，利用这两个光敏器件再设计出适当的电路就可以制作出光敏传感器的应用电路。在实际教学中，通过分析两个光控电路实例可以加深对光敏传感器的理解，掌握被测参数怎样转换为电信号进行处理，对掌握光敏器件的使用、光电传感器的实际应用、掌握光控电路的设计方法都有很大的帮助，可以引导学生进一步设计和制作出光电传感器应用的实际产品。
1.光电报警电路
很多场合需要根据光照的实际情况实现不同控制，完成不同的工作。本实例是利用光敏电阻设计一个弱光报警电路，可以根据光线的强度发出报警信号。如图3所示，LDR1为光敏电阻，可以通过调节强、弱按钮来调节光照的强度，同时调节光敏电阻内电流的大小。LDR1、RV1、R1构成了光电测量电路，将光信号转换为电压信号。Q1、Q2组成的是开关电路，控制下一级自激振荡电路，Q3、Q4是自激振荡电路，输出脉冲信号。当光照较强时，光敏电阻内的电流较大，经过电阻RV1转换为电压后，输出的电压较小（电压与光照强度成反比），此时三极管Q1、Q2截止，Q3、Q4电路不工作。当光照变弱，输出的电压变大，在该电路中，电压约为2.1V，三极管Q1、Q2导通，Q3、Q4电路工作。Q3、Q4电路为自激振荡电路，电路工作时产生脉冲信号，如图4所示，此信号加载在扬声器上，发出“滴滴”的报警声音。这样就实现了光照较弱时自动报警的功能。
2.光电路灯控制电路
利用光敏三极管来实现路灯的控制，白天光线较强，路灯熄灭，晚上光照弱，路灯亮。该电路也可以采用光敏二极管来实现，光敏二极管和光敏三极管在应用上除了光电流不同之外，其应用的电路的结构基本是一样的。不管是光敏二极管还是光敏三极管都是将光信号转换成电流，其检测电路的设计应该是将电流转换成电压，利用电压来控制相应的电路，实现自动控制的目的。电路设计如图5所示，U1（OPTOCOUPLER-NPN）为光电耦合型NPN三极管模型，可以通过调节输入电流模拟光照强度的变化来控制光敏三极管的输出电流。RV1、U1组成光电检测电路，通过RV1来调节光电三极管的输入电流，模拟光照变化。U2（施密特非门40106）、三极管Q1构成开关电路，直流继电器LR1是驱动电路，作用是驱动路灯D2。
电路工作原理分析：在白天，光照较强，光敏三极管输出的电流较大，转换成电压后输出的电压比较高，经过40106这个施密特非门，变成低电平加在三极管的基极，此时三极管截止，路灯不亮。在晚上，光照较弱，光敏传感器输出地电压较低，经40106非门后变成高电平加在三极管基极，三极管导通，继电器线圈得电，路灯被点亮。
四、小结
光敏传感器是将光信号转换为电信号的器件，在实际教学中，实物实验搭建比较困难，学习内容抽象，不易理解。通过计算机仿真技术，用Proteus软件设计光电器件的模型，模拟其将光信号转换为电信号的过程，能够很好地理解光电传感器的性能及其工作原理。在两个实例电路的分析中，光电传感器的使用方法、光控电路的设计、电路参数的调节、变化规律都很直观。通过教学实践证明，在光电传感器的教学中采用Proteus仿真教学能够降低教学难度，提高学生的学习兴趣，教学效果有较大提高。
参考文献：
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[2]冯成龙，刘洪恩.传感器应用技术项目化教程[M].北京：清华大学出版社，2009.
光电二极管范文第5篇
LED是Light Emitting Diode的缩写，中文意思为“发光二极管”，这是一种特殊的半导体二极管，可以把电能转化成光能。LED光源与白炽灯具有不同的发光原理，具有许多极其优秀的品质。与普通二极管一样，LED也是由一个PN结（即一块半导体一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体）组成的，也具有单向导电性。当给LED加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN接面附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，从而产生自发辐射的荧光。优质LED灯的能耗可以降低至普通白炽灯的1/20以下，而其耐久度分别为荧光灯和白炽灯的10倍和100倍，并且照明效果更加稳定可靠。因此，LED光源以其节能环保、经久耐用而独领，大有成为21世纪照明“主角”之势。
被尘封的历史故事
LED的发明经历了一个极其艰难的过程。1907年，英国马可尼实验室的科学家在一块金刚砂上观测到了电致发光现象，金刚砂的主要成分为碳化硅。不过，由于无机半导体发出的黄光太过暗淡，研究者因此没有把试验继续进行下去。1920年，德国科学家进行了硫化锌的电致发光试验，但最后也因发出的光太过暗淡而再次被搁置下来。
电致发光又被称为场致发光，是电能直接转换为光能的一类发光现象。半导体PN结在一定条件下的电致发光，是发明发光二极管的物理基础。尽管在20世纪初对半导体PN结电致发光原理的阐释还没有取得重大突破，但是科学家并没有因为困难和失败而停止探索的脚步。在世界上第一个发红光的发光二极管诞生之前，不同国别的科学家用各自不同的方式探索着同样一个主题，那就是半导体PN结电致发光现象。
大约在1927年前后，苏联科学家奥列格・洛谢夫曾独立制成了世界上第一个发光二极管，但其成果并没有引起人们的注意。更不幸的是，他于1942年过早地离开了人世，使得他发明发光二极管的故事渐渐地被历史淡忘了。
1955年，美国无线电公司的科学家布朗斯坦首次发现了砷化镓及其他半导体材料的红外放射作用，并在物理上实现了二极管的发光，不过发出的光不是可见光而是红外光。1961年，美国德州仪器公司的科学家布莱德和皮特曼发现，砷化镓在施加电子流时会释放出红外光辐射，从而率先生产出了具有商业用途的红外发光二极管，并获得了砷化镓红外发光二极管的发明专利。
此后，红外发光二极管就被广泛应用于传感及光电设备当中，从而为电子工业增添了活力。红外发光二极管作为一种把电能直接转换成红外光能的发光器件，在今天仍然具有极其重要的应用。比如，在电视机、录像机、影碟机、空调器等各类红外遥控系统中，红外发光二极管就是一个不可或缺的电子器件。
从碳化硅到硫化锌，从硫化锌再到砷化镓……实验证明，改变半导体材料的化学组成成分，可以让其在电致发光时发出不同的光来。不过，此前电致发光发出的都是不可见光。从照明的角度来说，具有实用意义的发光二极管应当能够发射可见光。因此，为了实现这个目标，还需要技术上的突破。
砷化镓与神奇红光
1962年，通用电气公司的尼克・何伦亚克开发出世界上第一个发出红色可见光的发光二极管，此前，他曾在美国贝尔实验室从事研究工作。何伦亚克当时使用的半导体材料是磷砷化镓，发出的可见光波长为650纳米，表现为神奇的红光。何伦亚克认为，发光二极管是一种很有发展前途的新型电光源，因此他断言未来的照明及显示领域将是发光二极管的天下。
何伦亚克不仅发明了发红光的二极管，而且还发明了可以调节光强的调光器，何伦亚克因此被誉为“可见光LED之父”，并获得了许多国家的科技大奖。无缘2014年诺贝尔物理学奖，令他自己与业内一些人士颇感不平。
1963年，何伦亚克离开通用电气公司，出任其母校美国伊利诺大学电机工程系教授，此后发明了世界上第一个发红光的半导体激光器。这种激光器目前仍然是CD、DVD、激光打印机和复印机的关键部件。何伦亚克预测，未来的发光二极管将会发出其他波长的光，因此呈现出多种不同的颜色来。
从人类第一个具有实用意义的红外发光二极管的诞生，到第一个红色可见光发光二极管的发明，新型半导体材料砷化镓都扮演了重要的角色。砷化镓是继硅半导体材料之后的又一个应用最为广泛的半导体材料，不仅是光电子器件的制造材料，而且在微电子技术方面也具有重要的应用。那么，你知道砷化镓具有哪些神奇的魔力吗？
砷化镓最大的特点是具有很好的光电性能，即在光照或外加电场的条件下，电子激发可以释放出光能来，并且其光发射效率也要比其他半导体材料高一些，因此用作发光二极管的材料具有多方面的优势。与其他半导体材料一样，砷化镓对于杂质元素也是十分敏感的。因此，能否确保砷化镓准确的化学配比，将直接影响砷化镓材料的电学性能。此外，砷化镓在高温下容易分解，因此要制备出具有理想化学配比的高纯单晶材料，在技术和工艺上具有非常高的要求。在地面上制备的砷化镓单晶材料，由于受到地球重力的影响，产品存在着均匀性差、缺陷多、纯度低、不稳定等诸多缺陷。为此，我国曾在人造卫星上利用微重力条件，进行了砷化镓单晶的生长试验，使得制备出的砷化镓单晶没有杂质条纹、材料均匀性好、缺陷少，整体性能有很大的提高。
磷化镓的“绿光缘”
人类历史上第一个商用红光发光二极管，是采用镓、砷、磷3种元素组成的半导体材料制成的，因此又被称为三元素发光二极管。例如，在红光发光二极管中，是采用砷化镓作为基板，并以磷元素取代部分砷元素。与砷化镓一样，磷化镓同样在光电技术领域占有重要的地位。用磷化镓制成的发光二极管可以发出绿色的光，因此具有重要的应用价值。从理论上来说，采用三元素材料结构，可以生产出从红外光到绿色光范围内的任何波长的发光二极管。
1972年，何伦亚克的学生克劳福德以磷化镓为基板开发出了世界上第一个发橙黄光的发光二极管，其亮度是何伦亚克发明的红光二极管的10倍，标志着发光二极管向着提高发光效率的方向迈出了坚实的一步。如何进一步提高发光二极管的发光效率，是当时科学家研究的重点之一。
科学家发现，铝的引入有助于消除磷化镓和磷砷化镓的缺点，从而提高发光二极管的发光效率。由于铝的加入改善了与砷化镓基板的晶格匹配等多种原因，因而提高了其发光效率。在20世纪80年代，砷化铝镓的应用导致了第一代高亮度发光二极管的诞生。20世纪90年代初，四元素半导体材料磷化铝镓铟的采用，使得发光二极管的发光效率有了更大的提高。磷化铝镓铟属于直接带隙半导体，即可以直接复合把能量几乎全部以光的形式释放出来，因此具有很高的发光效率。用磷化铝镓铟制成的超高亮度红色、橙色、黄色和绿色发光二极管，可以应用于户外显示领域。
“蓝色魔光”的召唤
高效节能的LED能否用于普通照明呢？其关键取决于能否制造出白色发光二级管。然而，在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白色光不是单色光，而是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等多种单色光合成的复合光。
如果要使LED发出白光来，根据物理学的研究成果，至少需要两种单色光的混合，即通过二波长发光（蓝色光+黄色光）或三波长发光（蓝色光+绿色光+红色光）的模式才能得到白色光。这两种模式都需要蓝色光的参与，所以开发出能发蓝色光的发光二极管具有十分重要的意义。
20世纪70年代，发光二极管已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色，一旦攻克蓝光二极管这个堡垒，白光半导体照明的新时代就有可能来临。
其实在20世纪70年代初，世界范围内就已掀起了一场研究氮化镓的热潮，并寄希望利用它来开发出蓝光二极管。然而，根据当时的工艺技术水平，要制造出具有这种性能的LED几乎是不可能的，故到了20世纪70年代末，大多数科学家都放弃了该项研究。但是，日本名古屋大学教授赤崎勇在失败面前没有放弃对蓝光LED的研究，并最终为利用氮化镓材料制造蓝光二极管奠定了基础。1981年，他研制成功了PN接面的氮化镓发光二极管，不过其亮度很小。
1982年，天野浩作为一名本科生加入到赤崎勇的研究小组，从此开始了蓝光LED材料的研究。赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行的蓝光LED基础性研发取得了重要成就，并于1989年首次研发成功了蓝光LED。
1988年，日本日亚公司的一名普通职员冒然闯进董事长的办公室，提出要开发氮化镓蓝光发光二极管，董事长当即决定资助他500万美元予以支持。这个普通职员就是中村修二，后来被人们誉为“蓝光发光二极管之父”。
21世纪的“魔法石”
一般的半导体发光二极管，多以Ⅲ～Ⅴ或Ⅱ～Ⅵ族半导体元素为材料。那为什么科学家要选择氮化镓半导体材料呢？原来，氮化镓这种无色透明晶体有立方晶系和六方晶系两种晶型，二者均为直接跃迁型能带，是Ⅲ～Ⅴ族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料。
在当时，活跃在蓝光二极管研究领域的科学家可谓是高手如云，中村修二这个不知天高地厚的毛头小伙能行吗？1989年，中村修二另辟蹊径，要走一条别人没有走过的道路。他在没有实验员和助手的条件下，采用独特的工艺技术路线，经过短短4年的时间就解决了蓝光二极管研究领域的两大材料制备工艺难题：一是高质量氮化镓薄膜的生长，另一个则是氮化镓空穴导电的调控。
