发光二极管

发光二极管（Light-Light emitting diode 3356）它是一种能将电能转化为可见光的导体它改变了白炽灯钨丝和节能灯三基色粉的原理，采用电场发光。当直流电压超过一定值时，二极管会发出某种颜色的光，具体的发光颜色与LED的制造材料有关。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，两种半导体之间有一个过渡层，称为P-n结。在一些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时，多余的能量会以光的形式释放出来，从而直接将电能转化为光能。可根据颜色、出光面特征、材料、结构、不同种类的大气，如强度角。

它具有节能、高效、耐用、绿色、环保等优点。经过几年的快速发展，现代照明已经应用到现在、数字显示等领域，而发光二极管在各行各业的应用也促进了半导体发光二极管的制造和使用。

诞生

1962年，英国科学家用砷化镓制造了第一个“现代”LED，但是只能发出看不见的红外光。所以最早的发光二极管是从红外光开始的，红外发光二极管制成的红外灯至今仍是夜视相机的重要光源。因为其长寿命、抗电击、抗震等特性作为指示灯，于1968年商业化。

演变

20世纪70年代，随着材料生长和器件制备技术的提高，科学家用磷化镓发出极浅的绿光，用双磷化镓芯片发出黄光。LED的颜色从红光延伸到黄绿色。

20世纪80年代，随着新型AlGaAs材料生长技术的发展，生产出了高质量的AlGaAs/GaAs量子阱可用于LED结构，量子阱中载流子的限制效应大大提高了LED的发光效率。

20世纪90年代，第四纪AlGaInP/由于使用了GaAs晶格匹配材料，LED的发光效率提高到几十流明/W(Lm:流明，表示光通量的单位)美国惠普公司使用的是截顶金字塔(TIP)该管芯结构获得的橙红色LED的效率达到100lm/W。

蓝色LED技术已经被征服

1989年，赤崎勇和天野 的研究团队认为GaN:Mg薄膜的P型导电是通过低能电子束辐照实现的，这成为蓝光LED发明的又一重大突破。世界上第一次开发了p-n结蓝色LED。

InGaN于1992年首次在中村修二使用/GaN周期性量子阱结构取代了传统的p-i-n结构大大提高了蓝光LED的发光效率。他还开发了外延技术，用低温生长的GaN薄层代替AlN作为缓冲层。同时，Nakamura等人做了一系列实验来解开P型GaN之谜，发现电子束对P型激活的作用只能来自两个因素热激活和高能电子的轰击。他们将GaN:Mg样品在N2和NH3气氛中700℃以上退火，发现成功实现了稳定的p型GaN，打破了p  GaN的难题。

白光LED诞生了

1993年，蓝光LED实现量产。1997 年，Schlotter  和Nakamura先后发明了一种白光LED，采用蓝色LED管芯和黄色YAG荧光粉。2001年，Kafmann 等人用UV LED激发三基色荧光粉获得白光LED，随即出现了高效白光LED研究和产业化的国际竞赛，一直延续至今，发光效率不断提高，目前已超过300lm/W（Lm:流明，表示光通量的单位），电光转换率达到50% 以上。

基本结构

发光二极管的基本结构是p-N结，由两种不同极性的半导体材料组成， 分别是P型半导体和N型半导体。p型半导体又叫空穴型半导体，即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。n型半导体又叫电子半导体，即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。

发光原理

有额外电子的n型半导体，有额外电子的P型半导体'空穴'电子可以在空穴之间跳跃，从一个空穴转移到另一个空穴。电子的流动会产生电流当正向电流通过晶片时，电子会与P区的空穴结合，然后发出能量，能量以光子的形式存在这就是半导体发光二极管的原理。

发光二极管光学参数的几个重要方面是：电压、电流、光通量、发光效率、发光强度等。

发光二极管

电流电压

LED中的电流包括正向电流、正向电压、反向电流、反向电压。直流电压是LED器件在规定的正电流条件下的电压测量两极间的电压降时，必须使用恒流源为LED器件供电，其输出电流值应调整到LED的规定工作电流此时，可以通过用电压表测量LED两端的电压来测量直流电压。

反向电压是被测LED流过的反向电流为一定值时，两极之间产生的电压；反向电流是测量当特定的反向电压施加到被测LED器件时产生的反向电流。

光通量

LED光源发出的辐射通量中能引起人视觉的部分称为光通量，是单位时间内光源向整个空间发出的能引起人视觉的辐射通量在测量了LED的光通量或辐射通量后，我们可以通过计算得到LED器件的发光效率或辐射效率。

发光效率

发光效率是光通量与电功率的比率。发光效率代表了光源的节能特性，是衡量现代光源性能的重要指标。

其它领域

随着器件水平的发展，一些新的应用被开发出来。比如在农业上，用特殊波长的紫外线LED可以杀虫；在医学领域，比如治疗癌症，特殊波长的紫外LED可以植入体内，靶向照射癌细胞等等。

发光强度和辐射强度

发光强度是其在某一方向发光强度的标志由于LED的光强在不同的空间角度变化很大，我们研究了LED的光强分布特性。该参数直接影响LED显示设备的最小视角。比如体育场馆中的LED大型彩色显示屏，如果LED单管的分布范围很窄，那么大角度面对显示屏的观众会看到失真的图像。而且交通信号灯也需要大范围的人群来识别。

光谱特性

光谱能量分布表示LED光辐射波长范围内每个波长的辐射功率分布。它还决定了 LED 发光颜色和光通量。在实际情况下，通常用相对谱功率分布来表示。LED 的光辐射的光谱分布不同于通常使用的光源典型LED的光输出是带宽为20nm至50nm的窄带光谱。LED的光谱特性主要看其单色性好不好，要注意红色、黄、蓝、绿、白光LED等主色是否纯净。因为很多场合，比如红绿灯，对颜色要求比较严格，但是观察到国内有些LED灯是绿中带蓝，红中带深红从这个现象来看，我们研究发光二极管的光谱特性是非常必要和有意义的。

颜色分类

根据发光二极管的颜色不同，发光二极管可以分为红色、橙、绿、蓝灯颜色。此外，在一些发光二极管中有不止一个彩色芯片。此时可以根据发光处是否混有散射剂，是否有颜色来分类。上述彩色发光二极管可分为四种彩色和无色透明，彩色和无色散射。

特性分类

根据发光管发光面的不同，可分为圆形灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、用于表面安装的微管等。圆形灯分为直径2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm和 20mm等。从封装技术上看，有陶瓷基环氧封装和玻璃封装结构。

材料分类

发光二极管根据材料不同可分为砷化镓发光二极管、磷镓砷发光二极管、磷化镓发光二极管、磷铟砷化镓发光二极管和砷化镓发光二极管等。

角度分布

根据光强的角度分布图，可分为高指向型、标准型、散射型。高指向性类型一般是尖头环氧封装或带金属反射腔的封装，不加散射剂半值角为5° ~ 20°或更小，因此具有较高的方向性，可用作局部照明光源或与光电探测器组合形成自动探测系统。标准型通常用作指示灯，其半值角为20° ~ 45°。散射型，是大视角的指示灯，半值角45 ~ 90°以上，散射剂用量大。

根据结构

根据发光二极管的结构，都有环氧封装、金属基环氧树脂封装、陶瓷基环氧封装和玻璃封装结构。

强度电流

根据发光强度和工作电流，有普通亮度的led(发光强度100mcd)发光强度在10和10~100mcd之间的称为高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几毫安到几十毫安的范围，而小电流LED的工作电流在2mA以下(亮度和普通LED一样)

高节能

DC驱动，超低功耗(单管0．(03 0)06 w)电光功率转换接近100％在同等照明效果下，比传统照明工具节能80％以上的耗能。由于LED的发光元件是半导体 PN结芯片，具有单向导通反向截止的特点，所以 LED灯只能由DC电源供电，所需驱动电压很低，单珠驱动电压为 3.2V-3.4V，功率很小。

响应速度快、工作电压低

因为是半导体器件，响应时间一般是毫秒级，可以说是瞬间。传统荧光灯是靠整流器释放的高压点亮，而LED灯是在一定范围内(电压可调8O245 V)可以在电压范围内点亮，还可以调节亮度。

寿命长

与传统灯管相比，LED没有容易烧坏的发光线、光衰等缺点，其寿命可达6 ~ 10万 h，比传统照明工具长10倍左右。LED体积小，封装一般是树脂而不是玻璃，不容易损坏。LED 灯的实验室寿命可达 100000h，正常使用可达 50000h以上，且只要在额定电流范围内频繁开关电源或通过控制系统调节电流，对LED  的寿命没有影响。

亮度高、多变幻

发光二极管具有极高的亮度，可应用于交通信号灯和雾灯。由于LED 光源的工作电流可以控制，因此通过电路设计也可以控制灯的亮度，实现照明控制的智能化。LED光源可以使用红色、绿、基于蓝色三基色原理，在计算机技术的控制下，三种颜色具有256级灰度，可以任意混合，可以产生16777216种颜色，形成多种不同光色的组合，实现多彩的动态变化效果和各种图像。

显色性高

显色性是指光源显示物体本身颜色的程度。LED灯的显色指数高达 75%一90%非常接近自然光。在 LED 灯的照明下，人们可以很容易地识别物体的颜色，适用于商品柜台、医院手术台、艺术室和室内照明、室外道路照明等场所使用。LED灯的光色可以人为控制，通过配光满足不同照明领域的要求。

利于环保

LED是全固态发光体，不含汞、钠和其他对健康有害的物质。废弃物可循环利用，污染小，手感安全。是典型的绿色照明光源。

安全可靠

LED采用低压供电，供电电压在6~24V之间。因此，它是一种比使用高压电源更安全的光源，尤其适用于公共场所。LED 发热量低，几乎没有热辐射，可以精确控制光的类型及其发光角度，光色柔和、无眩光。其内置的微处理器系统可以控制发光强度，调节发光模式，实现光与艺术的结合。

功率待改进

LED 存在一些性能瓶颈和散热问题，比如静电群放电损伤和热膨胀系数效应，使得它的功率不可能做得很大，亮度也很低。目前常用的大功率LED芯片有1w和3w。尽管集成芯片是可能的、多珠 LED 弦、大功率 LED灯实现并联或串联，但技术不成熟，后两种效率低、用的较少。提高 LED 灯的功率，一是从芯片上提高功率，二是优化电路设计提高功率。

散热不佳

温度的升高会加速 LED的光衰减，芯片节点的温度直接影响 LED的寿命对于小功率LED，可以通过自然传导和对流散热，但对于大功率LED，散热要考虑很多方面，技术还不成熟。在散热设计中，热量通常从LED封装中散发、电路板散热及增加散热元件的考虑。比如对于大功率的 LED路灯，要解决散热问题，除了 本身具有良好的散热结构之外，还要利用路灯的外壳作为散热通道，外壳要设计侧面以上的散热面和散热鳍片，以利于空气对流，或者外壳设计气孔进行对流散热，风扇辅助风冷毛细管水冷还处于实验阶段。

电源和电平指示灯

因为半导体发光二极管的结构简单且坚固、抗冲击、抗震动、性能稳定安全、材质轻、尺寸小、制造成本低，所以经常用红外发光管做电视、在录音机等的遥控中。半导体发光二极管已经广泛应用于各种电子仪器中、在电子设备中用作电源和液位指示器。

照明

发光二极管使用寿命长、功率小、节能的优点， 符合节能减排的绿色经济理念，应用于现代城市的照明领域。人们将红、绿、蓝色发光二极管组合在一起， 可以根据不同的发光比例显示不同的颜色此外，它还经常被制成建筑导向灯并作为装饰品安装在建筑物上， 从而营造一种氛围。国内各大高速公路的路灯也采用LED灯照明，部分路灯还结合了太阳能发电技术，节省了大量能源。

LED显示器

把常见的光电二极管组合成一个矩阵，然后做成不同大小的控制模块，或者把多个光电二极管组合成同一个簇管。以此为一组图像，将多个集束管拼接起来，配以专业的显示集成电路，就可以形成一套光电二极管显示屏。这种显示屏可以形成各种颜色。

LED显示屏根据使用环境分为室内房间、户外显示屏；按颜色分为单色、双色和全色显示器。LED全彩显示屏由RGB三色LED组成，每种基色有256个灰度级、色彩鲜艳、逼真的图像，不仅可以显示各种颜色的文字、图形，还可以显示3D电脑动画，尤其可以显示高清晰度、彩色视频动态图像。凭借以上优势，LED 已被广泛应用于市政广场、演唱会、车站、机场和其他重要的地方。值得一提的是，中国 LED 显示屏的发展可以说与世界水平基本同步LED 产业不仅在应用技术上取得了巨大的成功，在创新能力上也有着优异的表现。

背光源

背光通常是指电脑手机等规格较小的液晶屏上由发光二极管led供电的光源由于其环保节能的特点，led被广泛用作手机操作面板、语音通话键盘及其摄像头闪光灯等。如手机，如果使用LED作为操作面板，既节省了能耗，又能大大提高手机的续航能力。

在我们日常使用手机时，手机面板、按键、闪光灯已经普遍采用LED作为光源。这样增加了手机电池的待机时间，使用起来更加方便。随着科技的发展，手机的价格越来越低，一部手机平均需要几十个表贴led，这意味着仅手机市场对led的需求就达到了数百亿因此，移动电话中使用的发光二极管的节能是相当可观的。此外，在笔记本背光领域，LED已经逐渐取代冷阴极管背光成为主流。据悉，LED是用来代替原来的冷阴极灯管的经测试，新型笔记本电脑比传统笔记本电脑省电48左右%同时，它不包含健康危害、汞，一种对环境有害的重金属，而LED背光产品的价格与CCFI背光模组相差不大，符合当前的消费需求。