1、发光二极管发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，是一种半导体组件。初时多用作为指示灯、显示板等；随着白光 LED 的出现，也被用作照明。它被誉为 21 世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。1955 年，美国无线电公司（Radio Corporation of America）的鲁宾 .布朗石泰（Rubin Braunstein）（1922 年生）首次发现了砷化镓(GaAs)
2、及其它半导体合金的红外放射作用。1962 年，通用电气公司的尼克.何伦亚克（Nick HolonyakJr.）（1928 年生）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。发光二极管 LED 的发光原理发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先通过注入或掺杂等工艺以产生 pn 结结构。与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从 p 极（阳极）流向 n 极（负极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向 pn 结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的方式释放出能量。它所发出
3、的光的波长，及其颜色，是由组成 pn 结的半导体物料的禁带能量所决定。由于硅和锗是间接禁带材料，在这些材料中电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极管不能发光。发光二极管所用的材料都是直接禁带型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。在发展初期，采用砷化镓(GaAs)的发光二极管只能发出红外线或红光。随着材料科学的进步，人们已经制造出可发出更短波长的、各种颜色的发光二极管。以下是传统发光二极管所使用的无机半导体物料和所它们发光的颜色：铝砷化镓 (AlGaAs) - 红色及红外线 铝磷化镓 (AlGaP) - 绿色 磷化铟镓铝 (AlGaInP)
4、 - 高亮度的橘红色、橙色、黄色、黄绿色 磷砷化镓 (GaAsP) - 红色、橘红色、黄色 磷化镓 (GaP) - 红色、黄色、绿色 氮化镓 (GaN) - 绿色、翠绿色、蓝色 铟氮化镓 (InGaN) - 近紫外线、蓝绿色、蓝色 碳化硅 (SiC) (用作衬底) - 蓝色 硅 (Si) (用作衬底) - 蓝色 (开发中) 蓝宝石 (Al2O3) (用作衬底) - 蓝色 硒化锌 (ZnSe) - 蓝色 钻石 (C) - 紫外线 氮化铝 (AlN), 铝氮化镓 (AlGaN) - 波长为远至近的紫外线蓝光与白光 LED用 GaN 形成的蓝光 LED1993 年，当时在日本 Nichia Corp
5、oration(日亚化工)工作的中村修二（Shuji Nakamura）发明了基于宽禁带半导体材料氮化稼（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光 LED，这类 LED 在 1990 年代后期得到广泛应用。理论上蓝光 LED 结合原有的红光 LED 和绿光 LED 可产生白光，但现在的白光 LED 却很少是这样造出来的。现时生产的白光 LED 大部分是通过在蓝光 LED(near-UV,波长 450nm 至 470nm)上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层制成的，这种黄色磷光体通常是通过把掺了铈的YttriumAluminumGarnet(Ce3+:YAG)晶体磨成粉末后混和在一种稠密的
6、黏合剂中而制成的。当 LED 芯片发出蓝光，部分蓝光便会被这种晶体很高效地转换成一个光谱较宽（光谱中心约为 580nm）的主要为黄色的光。( 实际上单晶的掺 Ce 的 YAG 被视为闪烁器多于磷光体。)由于黄光会刺激肉眼中的红光和绿光受体，再混合 LED 本身的蓝光，使它看起来就像白色光，而其的色泽常被称作“月光的白色”。这种制作白光 LED 的方法是由 NichiaCorporation 所开发并从 1996 年开始用在生产白光 LED 上。若要调校淡黄色光的颜色，可用其它稀土金属铽或钆取代 Ce3+:YAG 中掺入的铈(Ce)，甚至可以以取代 YAG 中的部份或全部铝的方式做到。而基于其光
7、谱的特性，红色和绿色的对象在这种 LED 照射下看起来会不及阔谱光源照射时那么鲜明。另外由于生产条件的变异，这种 LED 的成品的色温并不统一，从暖黄色的到冷的蓝色都有，所以在生产过程中会以其出来的特性作出区分。另一个制作的白光 LED 的方法则有点像日光灯，发出近紫外光的 LED 会被涂上两种磷光体的混合物，一种是发红光和蓝光的铕，另一种是发绿光的，掺杂了硫化锌(ZnS) 的铜和铝。但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂裂化变质，所以生产难度较高，而寿命亦较短。与第一种方法比较，它效率较低而产生较多热(因为 StokesShift 前者较大)，但好处是光谱的特性较佳，产生的光比较好看。而由于紫外
8、光的 LED 功率较高，所以其效率虽比较第一种方法低，出来的亮度却相若。最新一种制造白光 LED 的方法没再用上磷光体。新的做法是在硒化锌(ZnSe)基板上生长硒化锌的磊晶层。通电时其活跃地带会发出蓝光而基板会发黄光，混合起来便是白色光。发光二极管的其它颜色近期开发出来的 LED 颜色包括粉红色和紫色，都是在蓝光 LED 上覆盖上一至两层的磷光体造成。粉红色 LED 用的第一层磷光体能发黄光，而第二层则发出橙色或红色光。而紫色 LED 用的磷光体发橙色光。另外一些粉红色 LED 的制造方法则存在一定的问题，例如有些粉红色 LED 是在蓝光 LED 涂上荧光漆或指甲油，但它们有机会剥落；而有些则
9、用上白光 LED 加上粉红色磷光体或染料，可是在短时间内颜色会褪去。价钱方面，紫外线、蓝色、纯绿色、白色、粉红色和紫色 LED 是较红色、橙色、绿色、黄色、红外线 LED 贵的，所以前者在商业用途上比较逊色。发光二极管是封装在塑料透镜内的，比使用玻璃的灯泡或日光灯更坚固。而有时这些外层封装会被上色，但这只是为了装饰或增加对比度，实质上并不能改变发光二极管发光的颜色。LED 光源的特点LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。电压： led 使用低压电源，供电电压在 6-24v 之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
10、 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 适用性：很小，每个单元 led 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。 稳定性： 10 万小时，光衰为初始的 50%。 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， led 灯的响应时间为纳秒级。 对环境污染：无有害金属汞。 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 led，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。 价格：led 的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只 led 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常
11、每组信号灯需由上 300500 只二极管构成。LED 发热问题与传统光源一样，半导体发光二极体（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在 PN结附近辐射出来的光还需经过芯片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等，最终大概只有 30-40%的输入电能转化为光能，其余 60-70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。LED 发热对寿命的影响一般来说，LED 灯工作是否稳定，品质好坏，与灯体本身散热至关重要，目前市场上的高亮度 LE
12、D 灯的散热，常常采用自然散热，效果并不理想。LED 光源打造的 LED 灯具，由 LED、散热结构、驱动器、透镜组成，因此散热也是一个重要的部分，如果LED 不能很好散热、它的寿命也会受影响。1、热量管理是高亮度 LED 应用中的主要问题由于 III 族氮化物的 p 型掺杂受限于 Mg 受主的溶解度和空穴的较高启动能，热量特别容易在 p 型区域中产生，这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散； LED 器件的散热途径主要是热传导和热对流；Sapphire 衬底材料极低的热导率导致器件热阻增加，产生严重的自加热效应，对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。2、热量对高亮度 LED 的影响热量集中
13、在尺寸很小的芯片内，芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和萤光粉激射效率下降；当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明，元件温度每上升 2，可靠性下降 10%。当多个 LED 密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度 LED 应用的先决条件。3、芯片尺寸与散热的关系提高功率 LED 的亮度最直接的方法是增大输入功率，而为了防止有源层的饱和必须相应地增大 p-n 结的尺寸；增大输入功率必然使结温升高，进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从 p-n 结导出的能力、在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不
14、变及等同的散热条件下，单独增加芯片的尺寸，结区温度将不断上升LED 散热的方法1.铝散热鳍片：这是最常见的散热方式，用铝散热鳍片做为外壳的一部分来增加散热面积。2.导热塑料壳：在塑料外壳注塑时填充导热材料，增加塑料外壳导热、散热能力。3.表面辐射散热处理：灯壳表面做辐射散热处理，简单的就是涂抹辐射散热漆，可以将热量用辐射方式带离灯壳表面。4.空气流体力学：利用灯壳外形，制造出对流空气，这是最低成本的加强散热方式。5.风扇：灯壳内部用长寿高效风扇加强散热，造价低，效果好。不过要换风扇就是麻烦些，也不适用于户外，这种设计较为少见。6.导热管：利用导热管技术，将热量由 LED 芯片导到外壳散热鳍片。
15、在大型灯具，如路灯等是常见的设计。7.液态球泡：利用液态球泡封装技术，将导热率较高的透明液体填充到灯体球泡内。这是目前除了反光原理外，唯一利用 LED 芯片出光面导热、散热的技术。8.灯头的利用：在家用型较小功率的 LED 灯，往往利用灯头内部空间，将发热的驱动电路部分或全部置入。这样可以利用像螺口灯头这样有较大金属表面的灯头散热，因为灯头是密接灯座金属电极和电源线的。所以一部分热量可由此导出散热。9.导热散热一体化- 高导热陶瓷的运用：灯壳散热的目的是降低 LED 芯片的工作温度，由于 LED 芯片膨胀系数和我们常用的金属导热、散热材料膨胀系数差距很大，不能将LED 芯片直接焊接，以免高、低
16、温热应力破坏 LED 芯片。最新的高导热陶瓷材料，导热率接近铝，膨胀系可调整到与 LED 芯片同步。这样就可以将导热、散热一体化，减少热传导中间环节。LED 驱动电路与荧光灯的电子镇流器不同，LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与 LED 的电压和电流的匹配。 LED 的正向伏安特性如图所示：所以，LED 伏安特性的数字模型可用下式表示VF=Vturn-on+RsIF+(VF/T)(T-25) (1)其中，Vturn-on 是 LED 的启动电压Rs 表示伏安曲线的斜率T 环境温度VF/T 是 LED 正向电压的温度系数，对于多数 LED 而言典型值为 -2V/。从
17、 LED 的伏安曲线及数字模型看，LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED 电流的很大变化，并且，环境温度，LED 老化时间等因素也将改变影响 LED 的电气性能。而 LED 的光输出直接与 LED 电流相关，所以 LED 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制 LED 电流的大小。否则， LED 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若 LED 电流失控， LED 长期工作在大电流下将影响 LED 的可靠性和寿命，并有可能失效。LED 驱动电路已广泛地运用于照明，汽车电子，路标，显示背光等领域。在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的 LED 阵
18、列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或 LED 个数变化，限流电阻也应相应变化，所以 LED 驱动电路中，引入了电压或电流反馈控制环节。用户可以根据需要改变负载 LED 阵列形式和 LED 个数，得到不同的输出功率。同时该驱动电路也克服了因输入电压，环境温度等因素而导致 LED 灯光的颜色易变动等弊端，功率因数可达到 0.9以上，THD 可做到 20%以下，寿命可达到 50000 小时以上，同时还可完成从 100%到 1%的调光功能，并且还具备过压和过流保护功能。发光二极管 LED 的应用领域LED 的应用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、
19、信号灯等，可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。1 、汽车以汽车內装使用包括了仪表板、音箱等指示灯，及汽车外部 ( 第三刹车灯、左右尾灯、方向灯等 ) ，目前欧洲系列车种包括奥迪、宝马、福斯等品牌全系 列采用高亮度 LED ，而车厂中，丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度 LED ，其他各车厂新车，也在陆续采用。若再加上前后车灯、刹车灯，交通标志等，与交通有关 的市场，商机非常庞大。在交通标志灯市场方面，全球约有 2000 万座交通标志灯，若每年更新 200 万座，商机可延续 10 年。2 、背光源主要是手机背光光源方面，是 SMD 型产品应用的最大市场。虽然近两年手
20、机的增长速度已明显趋缓，但全年仍有 4 亿支水准，以 1 支手机要 LED 背 光源 2 颗、按键 6 颗 SMD LED 计，一年保守 4 亿支手机需求约 32 亿颗 LED 。最近韩国蓝色背光手机风潮，使蓝光 LED 的市场供不应求，显见手机在 LED 应用市场中仍占有举足轻重的地位。继蓝光手机后，目前市场已是彩屏手机天下。以往彩屏手机是极高端产品，不过今年主要零组件价格下滑，使得彩屏手机和单色手机的价差缩小，加上厂商的大力，手机的换型潮悄然发生。3 、显示屏LED 显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体 多彩霓虹灯、象素
21、管电视墙、四色磁翻板相比较，以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高等优势，已广泛应用于各行各业。在美国内华达州拉斯维加斯 Fremont Street Experience 的 LED 显示板，是目前在世界上最大的，长度为 1,500 英尺。发光二极管显示板所使用的 LED 有两种形式：传统炮弹型发光二极管和表贴型(SMD)，大部分户外、室内显示屏都由多颗个别封装的发光二极管所构成，红、绿、蓝三种颜色的发光二极管形成一组，驱动后形成一个方形的全彩画素，分辨率由画素间距决定，间距为画素的中心点到另一邻近画素中心点的距离。世界最大的发光
22、二极管显示屏长度超过 1,500 英尺，位于美国内华达州拉斯维加斯的 Fremont Street Experience。多数市场上的室内显示屏都用表贴 SMD 技术制造(现下延伸到室外市场的趋向)。SMD像素点包括红色、绿色、和蓝色二极管灯上的芯片组，然后焊接在 PCB 板上。各自的二极管比针头小，并一起被非常接近地设置。这种灯做出来的显示屏相对与传统炮弹型发光二极管做的显示屏，有更好的颜色一致型和大约减少 25%的最小视距。室内使用的 LED 显示屏一般须要一个以 SMD 技术制造的屏幕，且至少要有 600 cd/m2(烛光每平方米, nits) 亮度。这通常足够(甚至过剩 )用在公司和零售店，但是在高亮度的环境，屏幕的亮度可能是可见度的关键。时尚和自动展示是高亮度发光二极管显示屏的两个佳例，舞台灯光则可能需要更亮的发光二极管。相对而言，当屏幕快照出现在电视上时，低亮度、低色温(通常显示器的白点色温为 6500-9000K，这比通常的电视生产集要蓝得多）则是必须的。室外使用多数情况下需要 4000 nits 亮度，一些更高亮度的型号提供的可达 10000 nits 的光强，甚至比阳光直射在屏幕上更明亮。大型 LED 显示屏是传统应用领域中成长最快的领域，其主要原因是随着 LED 色彩表现力和亮度的提高，大型 LED 全彩显示屏的显示能力和显示效果已经今非昔比，这一点
