一、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理

  50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識(shí)，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

  發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線， 通常被用在電子器具來顯示電路是否關(guān)閉或打開的指示燈, 光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。

  透明的環(huán)氧半導(dǎo)體晶片LED環(huán)氧圍封下伸出的那兩條線或者"燈泡"顯示出LED應(yīng)怎樣加連接到電路,LED導(dǎo)線的負(fù)極是以兩種方法來顯示,一種是由燈泡的平面,第二種是兩條線當(dāng)中短的那條線,負(fù)極導(dǎo)線應(yīng)連接到電池負(fù)端,LED運(yùn)行電壓相對(duì)很低大約只有1到4伏電壓,吸取的電流也大約只有10到40毫安.發(fā)光二極管最重要的一部分就是在燈泡中央的半導(dǎo)體晶片,晶片有兩個(gè)由接口分離的區(qū)域,P區(qū)域是由正電荷控制,而n區(qū)域是由負(fù)電荷控制,這個(gè)接口充當(dāng)了P和n電子流動(dòng)的擋板,只有當(dāng)半導(dǎo)體晶片的電壓足夠時(shí),電流才開時(shí)流動(dòng)和電子穿過接口進(jìn)入到P區(qū)域,

  什么使LED發(fā)出光和什么決定了發(fā)光二的顏色

  當(dāng)足夠的電壓到達(dá)晶片穿過發(fā)光二極管的導(dǎo)線,電子就非常容易的在P和N的區(qū)域穿過分隔處,在P區(qū)域正電荷比負(fù)電荷要多很多,在n區(qū)域中的電子比正電荷多,當(dāng)電壓和電流開始流動(dòng),在N區(qū)域的電子就有足夠的能源移動(dòng)穿過分隔處進(jìn)入P區(qū)域,由于共有的庫(kù)侖力的正負(fù)電荷之間的互相吸引P區(qū)域電子立即吸引到正電荷,當(dāng)電子足夠的移動(dòng)到與P區(qū)域的正電荷的接近,這兩種電荷就"重新結(jié)合"   每次電子和正電荷結(jié)合時(shí),電位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍?每次正負(fù)電荷的重新結(jié)合時(shí),電磁能的量子以半導(dǎo)體材料的頻率特性的光電形式發(fā)出(通常是鎵,砷和磷的化學(xué)元素結(jié)合)只有當(dāng)光量子在非常狹的頻率范圍內(nèi)才可以發(fā)射光不同的半導(dǎo)體材料使發(fā)光二極管發(fā)出不同的顏色和需要不同的能量去使它們變亮.

  發(fā)光二極管發(fā)出的能量有多少

  所需的電壓引起電子流動(dòng)穿過P-n分隔處和電能是同恒量的,不同顏色的發(fā)光二極管發(fā)出單色的顯眼光,發(fā)光二極管發(fā)出光的能量(E)是和電子電荷(q)有關(guān)和所需的電壓(V)使發(fā)光二極管發(fā)光E = qV 焦耳,這個(gè)公式簡(jiǎn)單的說明了電壓和電能是同恒量的.恒量q是指一個(gè)單電子的電荷-1.6 x 10-19庫(kù)侖(電量單位)

　 找出來自電壓的能量

假如測(cè)量流過發(fā)光二極管導(dǎo)線的電壓,你希望找出使發(fā)光二極管發(fā)出光所需的相應(yīng)能量.比如說發(fā)紅光的發(fā)光二極管和所測(cè)電壓和導(dǎo)線是1.7伏,那么使二極管發(fā)光所需的能量是E = qV 或者 E = -1.6 x 10-19 (1.71) 焦耳

　找出波長(zhǎng)或頻率

  光的頻率和光的波長(zhǎng)有關(guān)聯(lián),分光儀可以用來檢查由發(fā)光二極管發(fā)出的光和估計(jì)由LED發(fā)出光的最高峰值.但我們更喜歡檢測(cè)由LED所發(fā)出的光強(qiáng)度,.C是代表光的速度(3 x 108 米每秒)而是代表由分光儀讀取的光波長(zhǎng)(以納米或10-9 米為單位).假如你從分光儀器中觀察發(fā)紅光的二極管,你會(huì)發(fā)現(xiàn)LED發(fā)出的最高的強(qiáng)度顏色范圍和從分光儀讀取的波長(zhǎng)是相符合的= 660 nm or 660 x 10-9 m.

二、LED光源的特點(diǎn)

1. 電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。

2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%

3. 適用性：很小，每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境

4. 穩(wěn)定性：10萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的50%

5. 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)

6. 對(duì)環(huán)境污染：無有害金屬汞

7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色

8. 價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上300～500只二極管構(gòu)成。

三、單色光LED的種類及其發(fā)展歷史

最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。

  70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

  到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。

  90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λp=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達(dá)到50流明/瓦。

四、單色光LED的應(yīng)用

  最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

  以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國(guó)本來是采用長(zhǎng)壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。

  汽車信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國(guó)開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級(jí)），可以及早讓尾隨車輛的司機(jī)知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。

  另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。

五、白光LED的開發(fā)

  對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對(duì)于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。

目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍(lán)光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為25流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進(jìn)口，價(jià)格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過發(fā)光效率較差。

  某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍(lán)粉和石榴石結(jié)構(gòu)的黃色粉，在未來較被看好的是三波長(zhǎng)光，即以無機(jī)紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預(yù)計(jì)三波長(zhǎng)白光LED今年有商品化的機(jī)機(jī)會(huì)。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩(wěn)定性要求也高，具體應(yīng)用方面還在探索之中。

六、LED 壽命的理解

  LED 的使用壽命，一般認(rèn)為在理想狀態(tài)下一般認(rèn)為有10 萬(wàn)小時(shí)。但在實(shí)際在使用過程中其光強(qiáng)會(huì)隨使用時(shí)間的推移逐漸衰減，光效率逐漸降低。把光強(qiáng)衰減到初始光強(qiáng)的70%以下時(shí)定為壽命終止，就目前來說還沒有明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用來衡量。而且LED的使用壽命與其芯片的本身的質(zhì)量及其封裝技術(shù)、工藝有直接關(guān)系，某些芯片在20mA 條件下連續(xù)點(diǎn)亮4000小時(shí)后其光亮度衰減已達(dá)50%。但是隨著技術(shù)、工藝的提高，光衰時(shí)間越來越緩慢，即壽命也越長(zhǎng)。

七、LED 的節(jié)能及可*性

  LED 是電流控制元件，通過流過的電流，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，因其不存在摩擦損耗和機(jī)械損耗，所以在節(jié)能方面比一般的光源的效率高，但是LED 光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓，它必須配置一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常工作，即LED專用電源。但是各種不同的LED電源其性能和轉(zhuǎn)換效率各不相同，所以選擇合適、高效的LED專用電源，才能真正體現(xiàn)LED 光源高效特性。因?yàn)榈托实腖ED 電源本身就需要消耗大量電能，在配合LED 的使用過程中根本就體現(xiàn)不出LED 的高效節(jié)能特性。而且LED 電源也必須是高可*性電源，才能保證LED光源系統(tǒng)長(zhǎng)壽命。

八、LED 的基本特性及使用時(shí)的注意事項(xiàng)

1．常見的LED 電性能參數(shù)

（1）LED 正向電壓

  不同顏色的LED 在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值，紅、黃色：1.8~2.5V 之間，綠色和藍(lán)色：2.7~4.0V 之間。對(duì)于同種顏色的LED，其正向壓降和光強(qiáng)也不是完全一致的。如下表：

發(fā)光顏色 外觀顏色 波長(zhǎng)λD(nm) 正向電壓VF 亮度Iv(mcd) 

IF=20mA

Min. Max.

紅色   水透明   645~660 1.8 2.5 50~300 

黃綠色  水透明   570~575 1.8 2.5 50~300 

黃色   水透明   585~590 1.8 2.5 500~5000 

藍(lán)色   水透明   455~475 2.7 4.0 500~7000 

綠色   水透明   515~535 2.7 4.0 2000~10000 

白色   水透明   -   2.7 4.0 3000~15000  

  在同一電路中應(yīng)該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、光強(qiáng)范圍小的LED。只有這樣才能保證LED 的發(fā)光效果一致。其具體的電性參數(shù)可依各封裝廠每包裝提供的產(chǎn)品分光參數(shù)標(biāo)簽值。（有些公司每批分選都不一致）

（2）LED 的額定工作電流

  LED 的額定電流各不相同，普通的LED 電流一般為20mA，大功率的LED 電流一般為40 mA 或350 mA 不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數(shù)值。一般LED在反向電壓：VR=5V 的條件下，反向電流：IR≤10?A。

（3）LED 的功率

  LED 功率的大小也各不相同，有70mW、 100mW、 1W、2W、3W、5W等，所以必須根據(jù)所選擇的LED，設(shè)計(jì)合理的使用電路和配置合適的LED數(shù)量，使其完全滿足LED電源的額定值，如果設(shè)計(jì)的電路使每個(gè)LED分擔(dān)電壓或電流過高就會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命甚至燒毀LED，如果分擔(dān)的電壓或電流過低則激發(fā)的LED 光強(qiáng)不夠，就不能充分發(fā)揮LED 應(yīng)有的效果，達(dá)不到我們所期望的目的。

2．溫度特性

（1）LED 的焊接溫度應(yīng)在300℃以下，焊接時(shí)間控制在3~5S 之間。要注意避免LED溫度過高從而使芯片受損，焊接的位置最好在引腳卡點(diǎn)以外的位置。

（2）LED 的亮度輸出與溫度成反比，溫度不僅影響LED的亮度，也影響它的壽命。使用中盡量減少電路發(fā)熱，并做一定的散熱處理，在設(shè)計(jì)LED發(fā)光板時(shí)盡可能使銅箔有效面積加大。

3．靜電特性

  LED裝配過程中必須加強(qiáng)防靜電措施，因?yàn)椴僮鬟^程和人體本身都會(huì)產(chǎn)生靜電，對(duì)于雙電極的LED最易被靜電反向擊穿，從而嚴(yán)重影響LED的使用壽命甚至使其完全報(bào)廢。如防靜電環(huán)境不是非常完善，可以給LED使用者增加防靜電腕帶，并使防靜電腕帶和操作臺(tái)設(shè)置良好的防靜電接地系統(tǒng)，離子風(fēng)機(jī)等設(shè)備。雙電極的LED在封狀時(shí)并連齊納二極管保護(hù)LED。