绚丽多彩的LED世界

霍州市职业中专学校 吴晓华

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，其特点是功耗低、高亮度、色彩艳丽、抗振动、寿命长（正常发光8-10万小时），是真正的“绿色照明”。以LED为光源的灯饰产品在21世纪的将来，必然取代白织灯，成为人类照明的又一次革命。

一、LED发光机理

发光二极管的核心部分是PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光子的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

其发光原理跟激光的产生非常相似。(一个原子中的电子有很多能级，当电子从高能级向低能级跳变时，电子的能量就减少了，而减少的能量则转变成光子发射出去。大量的这些光子就是激光了。)

不过不同的是，LED并不是通过原子内部的电子跃变来发光的，而是通过将电压加在LED的PN结两端，使PN结本身形成一系列的能级，然后电子在这个能级上跃变放出能量产生光子发光。

二、LED制造主要工艺过程

基本结构：

普通LED的基本结构，它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的一侧连接到支架的一极，然后用环氧树脂封装成型。

组成LED的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架和环氧树脂。

管芯：管芯是一个由化合物半导体组成的PN结。

粘合剂：粘合剂的作用是把管芯粘在支架的反射杯上，一般使用导电银浆作为粘合剂。粘合剂的性能对LED的可靠性及透光效果有直接影响。

金线：金线的作用是把管芯的电极连接到支架上。主要有φ25μm和φ30μm两种规格，一般场合使用φ25μm金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用φ30μm金线。

支架：支架也即LED的外引线，一般使用基体为铁并镀银的支架，有时为了提高制品的散热性能，则使用基体为铜的支架，当然，其材料成本也相应增加。

环氧树脂：LED采用环氧树脂作为封装材料。环氧树脂的性能对LED的光电特性尤其是可靠性有很大影响。它的选择必须充分考虑其可靠性、出光效果、工艺可行性及价格等。

三、LED发光效率

一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。

四、LED电气特性

电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。LED正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。LED消耗功率，一部分转化为光能，这是我们需要的。剩下的就转化为热能，使PN结结温升高。

五、LED光学特性

LED提供的是宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移。LED发光亮度L与正向电流I近似成比例。电流增大，发光亮度也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。

六、LED热学特性

小电流下，LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以散热设计很关键。

七、LED寿命

LED的长时间工作会光衰引起老化，尤其对大功率LED来说，光衰问题更加严重。在衡量LED的寿命时，仅仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是远远不够的，应该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命，比如35%，这样更有意义。

八、大功率LED封装

主要考虑散热和出光。散热方面，用铜基热衬，再连接到铝基散热器上，晶粒与热衬之间以锡片焊作为连接，这种散热方式效果较好，性价比较高。出光方面，采用芯片倒装技术，并在底面和侧面增加反射面反射出浪费的光能，这样可以获得更多的有效出光。

九、白光LED

类自然光谱白光LED主要有三种：第一种是比较成熟且已商业化的蓝光芯片+黄色荧光粉来获得白光，这种白光成本最低，但是蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度，而且光谱呈带状较窄，色彩不全，色温偏高，显色性偏低，灯光对眼睛不柔和不协调。人眼经过进化最适应的是太阳光，白炽灯的连续光谱是最好的，色温为2500K，显色指数为100。所以这种白光还需要改进。第二种是紫外光或紫光芯片+红、蓝、绿三基色荧光粉来获得白光，发光原理类似于日光灯，该方法显色性更好，但同样存在所用荧光粉有效转化效率低，尤其是红色荧光粉的效率需要大幅度提高的问题。第三种是利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED混合成白光，该方法的优点是不需经过荧光粉的转换而直接配出白光，除了可避免荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以分开控制红、绿、蓝光LED的发光强度，达成全彩的变色效果（可变色温），并可由LED波长及强度的选择得到较佳的演色性。但这种办法的问题是绿光的转换效率低，混光困难，驱动电路设计复杂。另外，由于这三种光色都是热源，散热问题更是其它封装形式的3倍，增加了使用上的困难。

十、彩色LED灯珠

半导体晶体可以发射从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

以下是发光二极管发光颜色使用材料及波长

普通红 磷化镓 （GaP）700

高亮度红 磷砷化镓 (GaAsP) 630

超高亮红 铝砷化镓 (AlGaAs) 660

超高亮红 磷化铝铟

镓 (AlGaInP) 625-640

普通绿、黄绿 磷化镓 （GaP）565-572

高亮绿 镓铟铝磷 （AlGaInP）572

超高亮绿 氮化镓 （InGaN）505-540

普通黄、橙 磷砷镓 （GaAsP）590,610

超高亮黄橙 镓铟铝磷 （AlGaInP） 590-610

蓝 氮化镓 （InGaN）455-480

紫 氮化镓 （GaN）400,430

白 氮化镓+荧光粉 460

红外 砷化镓 （GaAs）>780

另外在一个灯珠里面放红绿蓝三个芯片，通过PCB板或者IC来控制三色芯片电流大小导通与否来控制光线。这样一个灯就能发出：红、绿、蓝、红绿、红蓝、绿蓝、红绿蓝（就是白光）一共七种颜色，还可以控制流过不同颜色芯片的电流大小来控制某颜色的亮度，从而导致混合出来的光颜色变化。这样控制从理论上来说，一盏灯可以发出无穷多种颜色。