1LED完全手冊一、LED的結構及發光原理50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（發光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，通常被用在電子器具來顯示電路是否關閉或打開的指示燈,光的強弱與電流有關。透明的環氧半導體晶片LED環氧圍封下伸出的那兩條線或者燈泡顯示出LED應怎樣加連接到電路,LED導線的負極是以兩種方法來顯示,一種是由燈泡的平面,第二種是兩條線當中短的那條線,負極導線應連接到電池負端,LED運行電壓相對很低大約只有1到4伏電壓,吸取的電流也大約只有10到40毫安.發光二極管最重要的一部分就是在燈泡中央的半導體晶片,晶片有兩個由接口分離的區域,P區域是由正電荷控制,而n區域是由負電荷控制,這個接口充當了P和n電子流動的擋板,只有當半導體晶片的電壓足夠時,電流才開時流動和電子穿過接口進入到P區域,什么使LED發出光和什么決定了發光二的顏色當足夠的電壓到達晶片穿過發光二極管的導線,電子就非常容易的在P和N的區域穿過分隔處,在P區域正電荷比負電荷要多很多,在n區域中的電子比正電荷多,當電壓和電流開始流動,在N區域的電子就有足夠的能源移動穿過分隔處進入P區域,由于共有的庫侖力的正負電荷之間的互相吸引P區域電子立即吸引到正電荷,當電子足夠的移動到與P區域的正電荷的接近,這兩種電荷就重新結合每次電子和正電荷結合時,電位能轉變為電磁能,每次正負電荷的重新結合時,電磁能的量子以半導體材料的頻率特性的光電形式發出(通常是鎵,砷和磷的化學元素結合)只有當光量子在非常狹的頻率范圍內才可以發射光不同的半導體材料使發光二極管發出不同的顏色和需要不同的能量去使它們變亮.發光二極管發出的能量有多少所需的電壓引起電子流動穿過P-n分隔處和電能是同恒量的,不同顏色的發光二極管發出單色的顯眼光,發光二極管發出光的能量(E)是和電子電荷(q)有關和所需的電壓(V)使發光二極管發光E=qV焦耳,這個公式簡單的說明了電壓和電能是同恒量的.恒量q是指一個單電子的電荷-1.6x10-19庫侖(電量單位)2找出來自電壓的能量假如測量流過發光二極管導線的電壓,你希望找出使發光二極管發出光所需的相應能量.比如說發紅光的發光二極管和所測電壓和導線是1.7伏,那么使二極管發光所需的能量是E=qV或者E=-1.6x10-19(1.71)焦耳找出波長或頻率光的頻率和光的波長有關聯,分光儀可以用來檢查由發光二極管發出的光和估計由LED發出光的最高峰值.但我們更喜歡檢測由LED所發出的光強度,.C是代表光的速度(3x108米每秒)而是代表由分光儀讀取的光波長(以納米或10-9米為單位).假如你從分光儀器中觀察發紅光的二極管,你會發現LED發出的最高的強度顏色范圍和從分光儀讀取的波長是相符合的=660nmor660x10-9m.二、LED光源的特點1.電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。2.效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%3.適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境4.穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%5.響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級6.對環境污染：無有害金屬汞7.顏色：改變電流可以變色，發光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最后為綠色8.價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構成。三、單色光LED的種類及其發展歷史最早應用半導體P-N結發光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發紅光（p=650nm），在驅動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠光（p=555nm），黃光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。90年代初，發紅光、黃光的GaAlInP和發綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區（p=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區域（p=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。3四、單色光LED的應用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。五、白光LED的開發對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發白光的LED開發成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發藍光（p=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光發射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，可以得到得白光。現在，對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。目前已商品化的第一種產品為藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發光效率約為25流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進口，價格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開發出以ZnSe為材料的白光LED，不過發光效率較差。某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉：即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結構的黃色粉，在未來較被看好的是三波長光，即以無機紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉，用于封裝LED白光，預計三波長白光LED今年有商品化的機機會。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小，穩定性要求也高，具體應用方面還在探索之中。六、LED壽命的理解LED的使用壽命，一般認為在理想狀態下一般認為有10萬小時。但在實際在使用過程中其光強會隨使用時間的推移逐漸衰減，光效率逐漸降低。把光強衰減到初始光強的70%以下時定為壽命終止，就目前來說還沒有明確的國家標準用來衡量。而且LED的使用壽命與其芯片的本身的質量及其封裝技術、工藝有直接關系，某些芯片在20mA條件下連續點亮4000小時后其光亮度衰減已達450%。但是隨著技術、工藝的提高，光衰時間越來越緩慢，即壽命也越長。七、LED的節能及可*性LED是電流控制元件，通過流過的電流，將電能轉變為光能，因其不存在摩擦損耗和機械損耗，所以在節能方面比一般的光源的效率高，但是LED光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網電壓，它必須配置一個電壓轉換裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常工作，即LED專用電源。但是各種不同的LED電源其性能和轉換效率各不相同，所以選擇合適、高效的LED專用電源，才能真正體現LED光源高效特性。因為低效率的LED電源本身就需要消耗大量電能，在配合LED的使用過程中根本就體現不出LED的高效節能特性。而且LED電源也必須是高可*性電源，才能保證LED光源系統長壽命。八、LED的基本特性及使用時的注意事項1常見的LED電性能參數（1）LED正向電壓不同顏色的LED在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值，紅、黃色：1.82.5V之間，綠色和藍色：2.74.0V之間。對于同種顏色的LED，其正向壓降和光強也不是完全一致的。如下表：發光顏色外觀顏色波長D(nm)正向電壓VF亮度Iv(mcd)IF=20mAMin.Max.紅色水透明6456601.82.550300黃綠色水透明5705751.82.550300黃色水透明5855901.82.55005000藍色水透明4554752.74.05007000綠色水透明5155352.74.0200010000白色水透明-2.74.0300015000在同一電路中應該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、光強范圍小的LED。只有這樣才能保證LED的發光效果一致。其具體的電性參數可依各封裝廠每包裝提供的產品分光參數標簽值。（有些公司每批分選都不一致）（2）LED的額定工作電流LED的額定電流各不相同，普通的LED電流一般為20mA，大功率的LED電流一般為40mA或350mA不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數值。一般LED在反向電壓：VR=5V的條件下，反向電流：IR10A。（3）LED的功率LED功率的大小也各不相同，有70mW、100mW、1W、2W、3W、5W等，所以必須根據所選擇的LED，設計合理的使用電路和配置合適的LED數量，5使其完全滿足LED電源的額定值，如果設計的電路使每個LED分擔電壓或電流過高就會嚴重影響LED的使用壽命甚至燒毀LED，如果分擔的電壓或電流過低則激發的LED光強不夠，就不能充分發揮LED應有的效果，達不到我們所期望的目的。2溫度特性（1）LED的焊接溫度應在300以下，焊接時間控制在35S之間。要注意避免LED溫度過高從而使芯片受損，焊接的位置最好在引腳卡點以外的位置。（2）LED的亮度輸出與溫度成反比