LED光源

要了解二极管的发光原理，首先要了解半导体的基本知识。半导体材料的导电性质介于导体和绝缘体材 料之间，它的独特之处在于:当半导体受到外界光和热条件的刺激时，它的导电能力会发生显著的变化;在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力也会显著的增加。在近代电子学中用得最多的半导体就是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子都是4个，在硅或者锗原子组成晶体时相邻的原子相互影响，使外侧电子变成两个原子共有的，这就形成了晶体中的共价键结构，这是一种约束能力很小的分子结构。在室温(300K)情况下，由于受到热激发就会使一些最外层电子获得足够的能量而脱离共价键束缚变成自由电子，这个过程叫做本征激发。在电子摆脱束缚成为自由电子后，共价键中会留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特征。

由于共价键出现了空穴，在外加电场或者其他的能源作用下，邻近的价电子就会填补这个空穴，而这个电子的原来位置上又形成新的空穴，以后其他电子再转移到这个新的空穴上。这样就产生了一定的电荷转移我们可以用以下公式对本征半导体中的自由电子的浓度进行计算:

ni(T)=AT3/2e-EG/2kT式中，

EG--电子挣脱共价键束缚所需要的能量，单位是eV(电子伏)，又被称为禁带宽度;

T--温度;

A--系数;

k--波耳兹曼常数(1.38×10-23J/K);

e--自然对数的底。

由于在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，所以这个计算公式也可以用来表示空穴的浓度。在半导体中自由电子(或空穴)的浓度越高，导电能力越强，在常温附近，温度每升高8℃，硅的自由电子浓度增加1倍;温度每升高12℃，锗的自由电子浓度升高1倍。

在本征半导体中加入少量的五价元素杂质如磷等，它在与其他半导体原子结成共价键以后会有一个多余的电子，这个多余的电子只需要非常小的能量就能摆脱束缚成为自由电子，这类杂质半导体被称为电子半导体(N型半导体)。而在本征半导体中加入少量的三价元素杂质(如硼等)，因为它外层只有三个电子，在与周围的半导体原子组成共价键以后会在晶体中产生一个空位，这类杂质半导体被称为空穴半导体(P型半导体)。在N型和P型半导体结合后，在它们的交界处就会出现自由电子和空穴的浓度差别，于是电子和空穴都要向浓度低的地方扩散，留下了一些带电却不能移动的离子，从而破坏了N区和P区原来的电中性。这些不能移动的带电粒子通常被称为空间电荷，它们集中在N区和P区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结。

在PN结的两端加上正向偏置电压(P型的一边加正电压)后，空穴和自由电子就会相互移动，形成一个内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合，复合的同时有时会以光子的形式释放多余能量，这就是我们所见到的LED发出的光。这样的光谱范围是比较窄的，由于每种材料的禁带宽度不相同，所以释放出的光子波长也不同，所以LED发光的颜色由所使用的基本材料决定.

二基色荧光粉转换

二基色白光LED是利用蓝光LED芯片和YAG荧光粉制成的。一般使用的蓝光芯片是InGaN芯片，另外也可以使用A1InGaN芯片。蓝光芯片LED配YAG荧光粉方法的优点是:结构简单，成本较低，制作工艺相对简单，而且YAG荧光粉在荧光灯中应用了许多年，工艺比较成熟。其缺点是，蓝光LED效率不够高，到使LED效率较低;荧光粉自身存在能量损耗;荧光粉与封装材料随着时间老化，导致色温漂移和寿命缩短等。

三基色荧光粉转换

在较高效率前提下有效提升LED的显色性。得到三基色白光LED的最常用办法是，利用紫外光LED激发一组可被辐射有效的三基色荧光粉。这种类型的白光LED具有高显色性，光色和色温可调，使用高转换效率的荧光粉可以提高LED的光效。不过，紫外LED+三基色荧光粉的方法还存在一定的缺陷，比如荧光粉在转换紫外辐射时效率较低;粉体混合较为困难;封装材料在紫外光照射下容易老化，寿命较短等。

多芯片白光LED光源

将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起，也可以得到白光。这种类型的白光LED光源，称为多芯片白光LED光源。与荧光粉转换白光LED相比，这种类型LED的好处是避免了荧光粉在光转换过程中的能量损耗，可以得到较高的光效;而且可以分开控制不同光色LED的光强，达到全彩变色效果，并可通过LED的波长和强度的选择得到较好的显色性。此方法弊端在于，不同光色的LED芯片的半导体材质相差很大，量子效率不同，光色随驱动电流和温度变化不一致，随时间的衰减速度也不同。为了保持颜色的稳定性，需要对3种颜色的LED分别加反馈电路进行补偿和调节，这就使得电路过于复杂。另外，散热也是困扰多芯片白光LED光源的主要问题。

1、发光效率高

LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50~70流明/瓦，钠灯90~140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50~200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

2、耗电量少

LED单管功率0.03~0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5~3.5伏，电流15~18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。

3、使用寿命长

采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5~10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

4、安全可靠性强

发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸:能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

5、有利于环保

LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4~9年中每年几倍的节能净收益期。

英文:Light-Emitting Diode，简称LED

概述

发光二极管(LED)灯泡无论在结构上还是在发光原理上，都与传统的白炽灯有着本质的不同。

发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的"空穴"，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。

人们之所以将发光二极管用于照明，主要是将发光二极管发出的红色光、黄色光、蓝色光混合，这样，红、黄、蓝三种光"混合"后，就产生出白光，简称MCLED(multi-chipLED);还可以利用"蓝光技术"与荧光粉配合也能形成白光，称为PCLED(phosphorconvertedLED)，此外还有MOCVA直接生长多有源区的白光技术。

1、节能环保

LED的发光原理与白炽灯和气体放电灯的发光原理都不同，LED光源的能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，LED相比荧光灯也可以达到50%的节能效果。光效为75lm/W的LED较同等亮度的白炽灯耗电减少约80%，节能效果显著，这对能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。LED还可以与太阳能电池结合起来应用，节能又环保。其本身不含 有毒有害物质(如:汞)，避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染，同时又没有干扰辐射。LED光源的不但更加环保节能，而且LED光源的光机色域更宽，色彩饱和度更高，更为关键的是，LED灯饰光源的使用寿命长达60000小时，能彻底解决传统灯泡光源寿命短的问题。

2、寿命长

正常情况下使用LED，其光衰可以减到70%的标称寿命是10万小时，减少了更换频率和其他维护工作。

3、光色纯正

由于典型的LED的光谱范围都比较窄，不像白炽灯那样拥有全光谱。因此，LED可以随意进行多样化的搭配组合，特别适用于装饰等方面。鲜艳饱和、纯正，无需滤光镜，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，可实现多变、逐变、混光效果，显色效果极佳。可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩动态变换和数字化控制。

4、防潮、抗震动

由于LED的外部多采用环氧树脂来保护，所以密封性能和抗冲击的性能都很好，不容易损坏。它可以应用于水下照明。

5、外形尺寸灵活:

可实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果;

6、环保:

无有害金属汞，无红外和紫外线辐射。大功率LED特点及与其他光源比较LED被称为"绿色光源"当之无愧。

7、多变幻

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即 可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

8、技术先进

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件"高新尖"技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

9、其他优点:

低热量、小型化、响应时间短等，这些都使LED光源具有很大的优势，为应用于实际生产生活中创造了有利条件。

1、高效节能 一千小时仅耗几度电(普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电);

2、超长寿命 半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时(普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时);

3、光线健康光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射(普通灯光线中含有紫外线和红外线) ; 4、绿色环保 不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰(普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰);

5、保护视力 直流驱动，无频闪(普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪);

6、光效率高 发热小，90%的电能转化为可见光(普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能);

7、安全系数高 所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，于矿场等危险场所;

8、市场潜力大 低压、交流供电，电池、太阳能供电，于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

但是LED与其他光源比较也有不足的方面，比如在白光照明中显色性偏低。目 前用黄色荧光粉和蓝光产生的白光LED，其显色性指数约为80。作为一般照明还可以，但对于一些色彩分辨要求高的场所就显得不足。虽然通过增加适当红色荧光粉等方法，可以使显色指数提高到90或者更高，但是与白炽灯的99相比较还是有一定差距，而且其效率会受到影响。通过RGB混色处理也可以提高显色性，但是在技术在普及应用上还需要做更多工作，因此显色性方面，LED还需要作提升。至于价格过高、一次性投入较大，其实从综合成本考虑，很多场合使用LED还是节约了大量成本。

随着一哄而上的市场，作为消费者，选用led依然要冷静，科学地分析，选用性价比最好的光源灯具，下面介绍几种LED的基本性能:

1、亮度。LED的亮度不同，价格不同。用于LED灯具的LED应符合雷射等级Ⅰ类标准。

2、抗静电能力。抗静电能力强的LED，寿命长，因而价格高。通常抗静电大于700V的LED才能用于LED灯饰。

3、波长。波长一致的LED，颜色一致，如要求颜色一致，则价格高。没有LED分光分色仪的生产商很难生产色彩纯正的产品。

4、漏电。电流LED是单向导电的发光体，如果有反向电流，则称为漏电，漏电电流大的LED，寿 命短，价格低。

5、发光。角度用途不同的LED其发光角度不一样。特殊的发光角度，价格较高。如全漫射角，价格较高。

6、寿命。不同品质的关键是寿命，寿命由光衰决定。光衰小、寿命长，寿命长，价格高。

7、晶片。LED的发光体为晶片，不同的晶片，价格差异很大。日本、美国的晶片较贵，一般台湾及国产的晶片价格低于日、美。

8、晶片大小。晶片的大小以边长表示，大晶片LED的品质比小晶片的要好。价格同晶片大小成正比。

9、胶体。普通的LED的胶体一般为环氧树脂，加有抗紫外线及防火剂的LED价格较贵，高品质的户外LED灯饰应抗紫外线及防火。每一种产品都会有不同的设计，不同的设计适用于不同的用途，LED灯饰的可靠性设计方面包含:电气安全、防火安全、适用环境安全、机械安全、健康安全、安全使用时间等因素。从电气安全角度看，应符合相关的国际、国家标准。

由于LED是新产品，中国国家标准滞后，但国家提供产品合格测试。具有国际安全认证(如GS、CE、UL等)及国家产品质量合格证的LED灯饰价格要高，因为这些产品在安全设计上是可靠的。消费者注意的是要认真鉴别证书的真伪，现 在有国际安全认证及国家产品合格证的厂家并不多。

环形光源:直接照射被测物上方。

条型光源:有三种照射效果分别为直射、斜射及测光。

线型光源:有聚光效果，高亮度可缩短摄影机曝光时间。

回型光源:角度可调整以配合不同特性的待测物及工作距离。

背光源:从待测物背面照射。

外同轴反射光源:由侧向光源经由分光镜可将光线平行照射于待测物上。

内同轴点状光源:需搭配同轴镜头使用。

半球型垄罩光源:光源经扩散罩漫射可行成一均匀照射区。

1)指示灯类

2)LED背光类

3)LED显示屏类

4)手持产品背光、闪光类

5)汽车应用类

6)通用照明类

7)景观照明类

8)特殊照明类

(1)颜色:主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、琥珀色。

(2)电流:根据功率级的不同，常用的LED电流在20mA-2A不等。

(3)电压:电压与颜色有关系，一般红、绿、蓝的VF在1.8-2.4V之间;白、蓝、绿的电压在3.0-3.6之间

(4)反向电压Vrm:LED所允许的最大反向电压。超过此值，LED可能被击穿损坏。需注意的是，有的LED是不允许反向的(如OSRAM)，一般Vrm在3-5V之间。

(5)色温:以绝对温度K来表示。eg.夏日正午阳光5500K,下午日光4000。

(6)发光强度:以坎德拉cd来计。这个量表明发光体在空间发射的会聚能力，是对光功率和会聚能力的一个共同描述。eg.Ф5的LED的I约为5mcd。

(7)光通量:以流明lm来计。此量是描述光源的发光总量的大小，与光功率等价。现有的1W的LED光通量可以做到80-130lm。

(8)光照度:以勒克斯lux来计。即均匀分布在1㎡表面上的光通量。

(9)显色性:以CRI来表示。eg.Luxeon冷白为70，中性白为75，暖白为85。

(10) 半值角:发光强度为峰值的一半时距中心线的2倍角度。根据不同应用，可以分为高指向性、标准型和散射型。eg.XP-C的半值角110°。

(11)主波长

(12)峰值波长

(13)中心波长

(14)色纯度

(15)半宽度

(16)热阻:以RθJC来表示，单位为℃/W。目 前国外的功率级LED的热阻基本在10 ℃/W以内。eg.Rebel,white: 9 ℃/W;XP-G: 6 ℃/W.

(17)寿命:维持到初始光通量70%的时间，而这个时间可以到30.000-100.000小时。

①1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓(GaAsP)半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。

②1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。

③1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。

④1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

⑤到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。

⑥80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。

⑦1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。

⑧今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。

⑨1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。1996年由日本Nichia公司(日亚)成功开发出白色LED。

⑩20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到38lm/W，实验室研究成果可以达到70lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。

近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一.

LED光源的优势

1:传统UV LED光源属于激光类产品，因此功

率越大越刺眼，不适合小孩家庭使用，但UV LED面光源没此问题。所以面光源使用范围更广，更安全。

2:传统UV LED大功率光源散热面小，即使用大量散热器也无法快速导出热量，因此光衰变快。led面光源同样功率散热面比UV LED点光源大几十倍，散热效果很好，可接近理论寿命。寿命在3000个小时以上完全没有问题。

3:传统UV LED一定用透镜，即增加成本又使光视角变小，多颗灯珠灯具会出现出光不均匀现象。

4:传统UV LED灯多颗组合成一盏灯具，焊点多，故障较多，面光源焊点少，安装简单适合广泛推广。