LED的基础知识与应用

LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。

目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。

除此之外还有在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED。

LED的色彩与工艺：制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。

历史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga),其正向PN结压降(VF，可以理解为点亮或工作电压)为1.424V，发出的光线为红外光谱。

另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga)，其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。

基于这两种材料，早期LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构，理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。

一般通过PN结压降可以确定LED的波长颜色。

其中典型的有，，，所以俗称这些LED为三元素发光管。

而GaN（氮化镓）的蓝光LED、GaP的绿光LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。

而目前最新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca)、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。

发光强度：发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司Lux）、光通量单位（流明Lumen）、发光强度单位（烛光Candlepower）1CD（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。

（以前指直径为2.2厘米，质量为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5厘米，沿水平方向的发光强度）1L（流明）指1CD烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。

1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。

一般主动发光体采用发光强度单位烛光CD，如白炽灯、LED等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L，如LCD 投影机等；而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。

三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。

比如：如果说一部LCD投影机的亮度（光通量）为1600流明，其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸（1平方米），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1厘米，出光口面积为1平方厘米，则出光口的发光强度为1600CD。

而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50％的效率就很好了。

实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。

对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。

一般室外LED显示屏须达到4000CD／平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。

普通室内LED，最大亮度在700～2000CD／平方米左右。

单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。

单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。

LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。

封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。

一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。

当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。

在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。

一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。

亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。

配色、白平衡：白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。

但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。

当为全彩色LED显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成像素。

白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。

原色、基色：原色指能合成各种颜色的基本颜色。

色光中的原色为红、绿、蓝，下图为光谱表，表中的三个顶点为理想的原色波长。

如果原色有偏差，则可合成颜色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰富程度减少。

LED发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。

三个原色中绿色最为重要，因为绿色占据了白色中69％的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。

因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时，绿色是着重考虑的对象。

1 。

发光二极管工作原理发光二极管通常称为LED，它们虽然名不见经传，却是电子世界中真正的英雄。

它们能完成数十种不同的工作，并且在各种设备中都能找到它们的身影。

它们用途广泛，例如它们可以组成电子钟表表盘上的数字，从遥控器传输信息，为手表表盘照明并在设备开启时向您发出提示。

如果将它们集结在一起，可以组成超大电视屏幕上的图像。

基础元件本质上，LED只是一种易于装配到电子电路中的微型灯泡。

但它们并不像普通的白炽灯，它们并不含有可烧尽的灯丝，也不会变得特别烫。

它们能够发光，仅仅是半导体材料内的电子运动的结果，并且它们的寿命同普通的晶体管一样长。

二极管是最简单的一种半导体设备。

广义的半导体是指那些具有可变导电能力的材料。

大多数半导体是由不良导体掺入杂质（另一种材料的原子）而形成的，而掺入杂质的过程称为掺杂。

就LED而言，典型的导体材料为砷化铝镓 (AlGaAs)。

在纯净的砷化铝镓中，每个原子与相邻的原子联结完好，没有多余的自由电子（带负电荷的粒子）来传导电流。

而材料经掺杂后，掺入的原子打破了原有平衡，材料内或是产生了自由电子，或是产生了可供电子移动的空穴。

无论是自由电子数目的增多还是空穴数目的增多，都会增强材料的导电性。

具有多余电子的半导体称为N型材料，因其含有多余的带负电荷的粒子。

在N型材料中，自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。

基础元件拥有多余空穴的半导体称为P型材料，因为它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。

电子可以在空穴间转移，从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。

因此，空穴本身就像是从带正电荷的区域移往带负电荷的区域。

一个二极管由一段P型材料同一段N型材料相连而成，且两端连有电极。

这种结构只能沿一个方向传导电流。

当二极管两端不加电压时，N型材料中的电子会沿着层间的PN结(junction)运动，去填充P型材料中的空穴，并形成一个耗尽区。

在耗尽区内，半导体材料回到它原来的绝缘态——即所有的空穴都被填充，因而耗尽区内既没有自由电子，也没有供电子移动的空间，电荷则不能流动。

在PN结(junction)内，N型材料中的自由电子填充了P型材料中的空穴。

这样，在二极管的中间就产生了一个绝缘层，称为耗尽区。

基础元件为了使耗尽区消失，必须使电子从N型区域移往P型区域，同时空穴沿相反的方向移动。

为此，您可以将二极管N 型的一端与电路的负极相连，同时P型的那一端与正极相连。

N 型材料中的自由电子被负极排斥，又被正极吸引；而P型材料中的空穴会沿反方向移动。

如果两电极之间的电压足够高，耗尽区内的电子会被推出空穴，从而再次获得自由移动的能力。

此时耗尽区消失，电荷可以通过二极管。

当电路的负极与N型层、正极与P型层相连时，电子和空穴开始迁移，而耗尽区将消失。

如果您试图让电流沿反方向流动，将P型端连接到电路负极、N型端连接到正极的话，电流将不会流动。

N型材料中带负电的电子会被吸引到正极上；P型材料中带正电的空穴则会被吸引到负极上。

由于空穴与电子各自沿着错误的方向运动，PN结将不会有电流通过，耗尽区也会扩大。

基础元件当电路的正极连接到N型层、负极连接到P型层时，自由电子会聚集在二极管的一端，同时空穴会聚集在另一端。

耗尽区会扩大。

光是一种能量形式，可由原子释出。

光由一些具有能量和动量但无质量的类粒子束组成。

这些粒子称为光子，是光的最基本单位。

电子的跃迁会释放出光子。

在原子结构中，电子在原子核周围的轨道中运动。

电子在不同的轨道中具有不同的能量值。

通常，能量更高的电子在离原子核更远的轨道中运动。

为了让电子能够从低能轨道跃迁至高能轨道，就必须提高它的能级。

反过来，电子从高能轨道跌落至低能轨道时则会释出能量。

这种能量就以光子的形式得到释放。

能量差约大，释出的光子能量就越大，继而表现为更高的频率。

自由电子通过二极管时会陷入P型层中的空穴。

这一过程涉及电子从传导带到低轨道的跌落，因而电子会以光子的形式释放出能量。

这种情况在所有的二极管中都会发生，但只有当二极管由某些特定材料制成时，您才能看到光子。

举例来说，普通硅二极管中的原子会以一种特定方式排列，在这种排列下，电子跌落的距离相对而言比较短，这导致产生的光子频率过低（它们在光谱中处于红外线区域），不能为人眼所见。

当然，这也不一定就是坏事：红外线LED有很多用途，例如它是制造遥控器的理想元件。

可见光发光二极管(VLED)，例如用来点亮电子钟表中的数字的发光二极管，其构成材料就以传导带与低轨道之间的间隙较大为特征。

间隙的大小决定光子的频率——从而决定了光的颜色。

尽管所有的二极管都能发光，但大多数发光效果并不好。

在普通二极管内，大量的光能最终会被半导体材料自身吸收。

LED因其独特的构造，可以向外释放大量的光子。

另外，它们被安置在一个可以将光线汇聚到某一特定方向的塑料灯泡里面。

如下图所示，二极管发出的大部分光线被灯泡侧壁反射回来，然后继续传播，直至它们穿过灯泡的圆形顶端。

与传统白炽灯相比，LED有几点优势。

首先，它们不含可烧尽的灯丝，因而寿命更长；另外，小型塑料灯泡使得它们更加耐用。