LED發(fā)光二極管的基礎(chǔ)知識(shí)詳解

LED 是取自 Light Emitting Diode 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。目前不同的發(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。

　　LED的色彩與工藝：

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(guò) 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(jiàn)光以及部份紫外光的光譜范圍。

　　LED發(fā)光強(qiáng)度：

發(fā)光強(qiáng)度的衡量單位有照度單位（勒克司Lux）、光通量單位（流明Lumen）、發(fā)光強(qiáng)度單位（燭光　Candle power）.

　　1CD（燭光）指完全輻射的物體，在白金凝固點(diǎn)溫度下，每六十分之一平方厘米面積的發(fā)光強(qiáng)度。（以前指直徑為2.2厘米，質(zhì)量為75.5克的鯨油燭，每小時(shí)燃燒7.78克，火焰高度為4.5厘米，沿水平方向的發(fā)光強(qiáng)度）

　　1L（流明）指1 CD燭光照射在距離為1厘米，面積為1平方厘米的平面上的光通量。

　　1Lux（勒克司）指1L的光通量均勻地分布在1平方米面積上的照度。

　　一般主動(dòng)發(fā)光體采用發(fā)光強(qiáng)度單位燭光CD，如白熾燈、LED等；反射或穿透型的物體采用光通量單位流明L，如LCD投影機(jī)等；而照度單位勒克司Lux，一般用于攝影等領(lǐng)域。三種衡量單位在數(shù)值上是等效的，但需要從不同的角度去理解。比如：如果說(shuō)一部LCD投影機(jī)的亮度（光通量）為1600流明，其投影到全反射屏幕的尺寸為60英寸（1平方米），則其照度為1600勒克司，假設(shè)其出光口距光源1厘米，出光口面積為1平方厘米，則出光口的發(fā)光強(qiáng)度為 1600CD。而真正的LCD投影機(jī)由于光傳播的損耗、反射或透光膜的損耗和光線分布不均勻，亮度將大打折扣，一般有50％的效率就很好了。

　　實(shí)際使用中，光強(qiáng)計(jì)算常常采用比較容易測(cè)繪的數(shù)據(jù)單位或變向使用。對(duì)于LED顯示屏這種主動(dòng)發(fā)光體一般采用CD／平方米作為發(fā)光強(qiáng)度單位，并配合觀察角度為輔助參數(shù)，其等效于屏體表面的照度單位勒克司；將此數(shù)值與屏體有效顯示面積相乘，得到整個(gè)屏體的在最佳視角上的發(fā)光強(qiáng)度，假設(shè)屏體中每個(gè)像素的發(fā)光強(qiáng)度在相應(yīng)空間內(nèi)恒定，則此數(shù)值可被認(rèn)為也是整個(gè)屏體的光通量。一般室外LED顯示屏須達(dá)到4000CD／平方米以上的亮度才可在日光下有比較理想的顯示效果。普通室內(nèi)LED，最大亮度在700～2000 CD／平方米左右。

單個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度以CD為單位：

　　同時(shí)配有視角參數(shù)，發(fā)光強(qiáng)度與LED的色彩沒(méi)有關(guān)系。單管的發(fā)光強(qiáng)度從幾個(gè)mCD到五千mCD不等。LED生產(chǎn)廠商所給出的發(fā)光強(qiáng)度指LED在20mA電流下點(diǎn)亮，最佳視角上及中心位置上發(fā)光強(qiáng)度最大的點(diǎn)。封裝LED時(shí)頂部透鏡的形狀和LED芯片距頂部透鏡的位置決定了LED視角和光強(qiáng)分布。一般來(lái)說(shuō)相同的LED視角越大，最大發(fā)光強(qiáng)度越小，但在整個(gè)立體半球面上累計(jì)的光通量不變。

　　當(dāng)多個(gè)LED較緊密規(guī)則排放，其發(fā)光球面相互疊加，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)光平面發(fā)光強(qiáng)度分布比較均勻。在計(jì)算顯示屏發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，需根據(jù)LED視角和LED的排放密度，將廠商提供的最大點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度值乘以30％～90％不等，作為單管平均發(fā)光強(qiáng)度。

　　LED的發(fā)光壽命很長(zhǎng)：

　　生產(chǎn)廠家一般都標(biāo)明為100,000小時(shí)以上，實(shí)際還應(yīng)注意LED的亮度衰減周期，如大部分用于汽車尾燈的UR紅管點(diǎn)亮十幾至幾十小時(shí)后，亮度就只有原來(lái)的一半了。亮度衰減周期與LED生產(chǎn)的材料工藝有很大關(guān)系，一般在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下應(yīng)選用亮度衰減較緩慢的四元素LED。

　　配色、白平衡：

　　白色是紅綠藍(lán)三色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21％，藍(lán)色的亮度為10％時(shí)，混色后人眼感覺(jué)到的是純白色。但LED紅綠藍(lán)三色的色品坐標(biāo)因工藝過(guò)程等原因無(wú)法達(dá)到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，稱為配色。

　　當(dāng)為全彩色LED顯示屏進(jìn)行配色前，為了達(dá)到最佳亮度和最低的成本，應(yīng)盡量選擇三原色發(fā)光強(qiáng)度成大致為3:6:1比例的LED器件組成像素。

　　白平衡要求三種原色在相同的調(diào)灰值下合成的仍舊為純正的白色。

　　原色、基色：

　　原色指能合成各種顏色的基本顏色。色光中的原色為紅、綠、藍(lán)，下圖為光譜表，表中的三個(gè)頂點(diǎn)為理想的原色波長(zhǎng)。如果原色有偏差，則可合成顏色的區(qū)域會(huì)減小，光譜表中的三角形會(huì)縮小，從視覺(jué)角度來(lái)看，色彩不僅會(huì)有偏差，豐富程度減少。

　　LED發(fā)出的紅、綠、藍(lán)光線根據(jù)其不同波長(zhǎng)特性和大致分為紫紅、純紅、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍(lán)綠、純藍(lán)、藍(lán)紫等，橙紅、黃綠、藍(lán)紫色較純紅、純綠、純藍(lán)價(jià)格上便宜很多。三個(gè)原色中綠色最為重要，因?yàn)榫G色占據(jù)了白色中69％的亮度，且處于色彩橫向排列表的中心。因此在權(quán)衡顏色的純度和價(jià)格兩者之間的關(guān)系時(shí)，綠色是著重考慮的對(duì)象。

　 二、LED防靜電要求

　　藍(lán)光、純綠光、藍(lán)綠光、白光、紫光、紫紅光發(fā)光二極管屬于一級(jí)防靜電敏感器件，在手持和封裝生產(chǎn)過(guò)程中請(qǐng)注意采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，以下僅供參考：

　　必須能防止靜電產(chǎn)生：組裝人員操作時(shí)需穿戴防靜電服裝(如防靜電衣服、帽子、鞋子、指套或手套等)

必須能迅速將其表面或內(nèi)部的靜電散逸：組裝操作人員需配戴防靜電手腕帶。

　　能提供屏蔽保護(hù)受靜電突然放電或電場(chǎng)沖擊：

　?、?組裝臺(tái)(工作臺(tái))需使用防靜電臺(tái)墊，且接地。

　?、?盛裝LED需使用防靜電元件盒。

　?、?烙鐵、切腳機(jī)、錫爐（或自動(dòng)回流焊設(shè)備）均需接地。

　　作業(yè)過(guò)程中，盡可能避免直接觸摸發(fā)光管之管腳，取放時(shí)盡可能觸拿膠體部分。

　　接地措施應(yīng)完全防止靜電產(chǎn)生，工作臺(tái)、烙鐵、切腳機(jī)、錫爐(或自動(dòng)回流焊設(shè)備)之接地，必須用粗的鐵線引入泥土內(nèi)，,在鐵線未端系上大鐵塊，埋入地表1米以下，各接地線均需與主線連接在一起，操作人員配戴的靜電環(huán)若有引出線的，亦需將引出線接通埋地線上。

　　半成品、成品檢測(cè)設(shè)備亦需接地。

　　三、LED使用注意事項(xiàng)

　?。?）LED的特性接近穩(wěn)二極管，工作電壓變化0.1V，工作電流可能變化20mA左右。為了安全，普通情況下使用串聯(lián)限流電阻，極大的能量損失顯然不適合太陽(yáng)能草坪燈，并且LED亮度隨工作電壓而變化。升壓電路是一個(gè)好辦法，也可以用簡(jiǎn)單的恒流電路，總之一定要自動(dòng)限流，否則將會(huì)損壞LED。

　?。?）一般LED的峰值電流50~100mA，反向電壓在6V左右，注意不可超過(guò)這個(gè)極限，尤其在太陽(yáng)能電池反接或者蓄電池空載，升壓電路峰值電壓過(guò)高時(shí)很可能超過(guò)這個(gè)極限，損壞LED。

　　（3）LED溫度特性不好，溫度上升5℃，光通量下降3%，夏季使用更要注意。

　?。?）工作電壓離散性大，同一型號(hào)，同一批次的LED工作電壓都有一定差別，不宜并聯(lián)使用。若一定要并聯(lián)使用，就應(yīng)該充分考慮均流的情況。

　?。?）超高亮白光LED色溫為6400~30000k，目前低色溫的超高亮白光LED尚未進(jìn)入市場(chǎng)，所以用超高亮白光LED制造的太陽(yáng)能草坪燈光穿透能力比較差，這點(diǎn)在光學(xué)設(shè)計(jì)上要引起注意。

　?。?）靜電對(duì)超高亮白光LED影響很大，在安裝時(shí)要有防靜電設(shè)施，工人要佩帶防靜電手腕，受靜電傷害的超高亮白光LED當(dāng)時(shí)可能憑眼睛看不出來(lái)，但是使用壽命將會(huì)變短。