LED基礎(chǔ)

彭銀松

LED的基礎(chǔ)常識(shí)制造LED的材料不同，可以產(chǎn)生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所發(fā)出光的波長(zhǎng)，也就是光譜或顏色。歷史上第一個(gè)LED所使用的材料是砷(As)化鎵(Ga),其正向PN結(jié)壓降(VF，可以理解為點(diǎn)亮或工作電壓)為1.424V，發(fā)出的光線為紅外光譜。另一種常用的LED材料為磷(P)化鎵(Ga)，其正向PN結(jié)壓降為2.261V，發(fā)出的光線為綠光。

基于這兩種材料，早期LED工業(yè)運(yùn)用GaAs1-xPx材枓結(jié)構(gòu)，理論上可以生產(chǎn)從紅外光一直到綠光范圍內(nèi)任何波長(zhǎng)的LED，下標(biāo)X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通過PN結(jié)壓降可以確定LED的波長(zhǎng)顏色。其中典型的有GaAs0.6P0.4的紅光LED，GaAs0.35P0.65的橙光LED，GaAs0.14P0.86的黃光LED等。由于制造采用了鎵、砷、磷三種元素，所以俗稱這些LED為三元素發(fā)光管。而GaN（氮化鎵）的藍(lán)光LED、GaP的綠光LED和GaAs紅外光LED，被稱為二元素發(fā)光管。而目前最新的工藝是用混合鋁(Al)、鈣(Ca)、銦(In)和氮(N)四種元素的AlGaInN的四元素材料制造的四元素LED，可以涵蓋所有可見光以及部份紫外光的光譜范圍。

LED是取自LightEmittingDiode三個(gè)字的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”，顧名思義發(fā)光二極管是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件具有二極管的特性。不同的發(fā)光二極管可以發(fā)出從紅外到藍(lán)間不同波長(zhǎng)的光線，目前發(fā)出紫色乃至紫外光的發(fā)光二極管也已經(jīng)誕生。除此之外還有在藍(lán)光LED上涂上熒光粉，將藍(lán)光轉(zhuǎn)化成白光的白光LED。可見光LED的發(fā)展史自1970年左右開始紅光LED的光功率不斷上升，但是藍(lán)光LED的特性到1992年后才突飛猛進(jìn)。發(fā)光原理發(fā)光材料與波長(zhǎng)BandGap隨著半導(dǎo)體材料不同，也就是說半導(dǎo)體材料的選擇可以改變發(fā)光色。下表是半導(dǎo)體材料與發(fā)光波長(zhǎng)、發(fā)光色的關(guān)系，以InGaAlP為例，構(gòu)成元素(In,Ga,Al,P)之中，改變主要元素Al的混晶比率，就可以獲得紅~綠色的發(fā)光?！干?原色」與「光的3原色」不同，「色的3原色」為紅、藍(lán)、黃；「光的3原色」則為紅、藍(lán)、綠?；旌稀干?原色」時(shí)變成黑色；混合「光的3原色」則變成白色。以LED形成白光的方式可以分成2種，分別是:a.組合紅、藍(lán)、綠LED變成白光。b.藍(lán)光或是紫外線發(fā)光LED，搭配熒光體變成白光。組合紅、藍(lán)、綠LED形成白光方式，一般稱為RGB發(fā)光，上述組合光的3原色形成白光的方式，主要特征為高色再現(xiàn)性。藍(lán)光搭配熒光體形成白光是目前主流，它是利用黃色熒光體的吸收、激發(fā)特性，使部份藍(lán)色發(fā)光轉(zhuǎn)換成黃色光線，藍(lán)色光線再與黃色光線形成白光?！鵌F:順向電流(ForwardCurrent)，表示施加于順方向的電流?！鵙F:順向電壓(ForwardVoltage)，表示施加于順方向的電壓。※IR:逆向電流(ReverseCurrent)，表示施加于逆方向的電流?！鵙R:逆向電壓(ReverseVoltage)，表示施加于逆方向的電壓?！鵉:光束(LuminousFlux)，它是亮度的用語(yǔ)，表示光線全光量的亮度?！鵌V:光度(LuminousIntensity)，它也是亮度的用語(yǔ)，表示某個(gè)方向單位立體角范圍內(nèi)的光線亮度?！藀:峰值波長(zhǎng)(PeakWave)，表示最大發(fā)光強(qiáng)度時(shí)的波長(zhǎng)?！薲:Dominant波長(zhǎng)(DominantWave)，表示人眼感受的單波長(zhǎng)?！鵆x:色度坐標(biāo)(Chromaticityx,y)，它利用x,y坐標(biāo)表示顏色?！?θ1/2:指向角，光線的發(fā)光強(qiáng)度變成1/2時(shí)，表示光線的擴(kuò)散角度。LED特性參數(shù)（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。（2）最大正向直流電流Ifm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

（3）最大反向電壓Vrm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。

（4）工作環(huán)境溫度:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。

在正向電壓正小于某一值（閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10μA以下。極限參數(shù)的意義LED的分類

1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分

按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。2．按發(fā)光管出光面特征分

按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。最常見的是圓燈，按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分有三類：

（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用

（2）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。使用LED的注意事項(xiàng)LED的發(fā)熱LED的發(fā)光波長(zhǎng)若與傳統(tǒng)白熾燈泡比較的確不含紅外成份，也就是說從LED出射的放射光幾乎不具熱能，不過若對(duì)LED施加電流LED就會(huì)發(fā)熱，主要原因是LED內(nèi)部產(chǎn)生的光線只有數(shù)30%出射到外部，除此以外的能量亦即消費(fèi)能量的大部份已經(jīng)轉(zhuǎn)變成熱能，因此只要對(duì)LED施加電流LED就會(huì)發(fā)熱。以往的LED驅(qū)動(dòng)電流只有數(shù)十mA，消費(fèi)電力大約0.1W左右，最近幾年消費(fèi)電力高達(dá)數(shù)W的LED陸續(xù)問世，裝設(shè)散熱鰭片或是將LED封裝在金屬基板，主要訴求都是使LED的發(fā)熱可以更容易散逸到外部。提高LED的發(fā)光效率提高LED的發(fā)光效率根本上必需改善LED組件本身的輸出，這意味著組件的封裝技術(shù)非常重要。IF一定時(shí)的亮度一般人都誤解一定的順向電流IF時(shí)，LED的亮度也會(huì)成為一定，然而實(shí)際上并非如此，從施加電流一直到溫度成為一定為止LED的亮度會(huì)持續(xù)下降，發(fā)熱穩(wěn)定后LED的亮度才會(huì)穩(wěn)定下來。LED的壽命LED的壽命一般是以亮度降至初期值50%所需要的時(shí)間表示，LED的壽命隨著發(fā)光色、封裝材料、封裝樹脂不同也很大差異，除此之外使用環(huán)境、條件都會(huì)改變LED的壽命，一般而言過酷條件LED的壽命相對(duì)降低。LED的應(yīng)用

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