led光源

英文：Light-Emitting Diode，簡稱LED。

概述

發光二極管（LED）燈泡無論在結構上還是在發光原理上，都與傳統的白熾燈有著本質的不同。

發光二極管是由數層很薄的攙雜半導體材料制成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當有電流通過時，電子和空穴相互結合并釋放出能量，從而輻射出光芒。

人們之所以將發光二極管用于照明，主要是將發光二極管發出的紅色光、黃色光、藍色光混合，這樣，紅、黃、藍三種光“混合”后，就產生出白光，簡稱MCLED（multi-chipLED）；還可以利用“藍光技術”與熒光粉配合也能形成白光，稱為PCLED（phosphorconvertedLED），此外還有MOCVA直接生長多有源區的白光技術。^[1]

1、發光效率高

LED經過幾十年的技術改良，其發光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦，熒光燈50～70流明/瓦，鈉燈90～140流明/瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經改良后將達到達50～200流明/瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發出有色可見光。世界各國均加緊提高LED光效方面的研究，在不遠的將來其發光效率將有更大的提高。

2、耗電量少

LED單管功率0.03～0.06瓦，采用直流驅動，單管驅動電壓1.5～3.5伏，電流15~18毫安，反應速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的萬分之一，熒光燈管的二分之一、日本估計，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節約相當于60億升原油。就橋梁護欄燈例，同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩變化。

3、使用壽命長

采用電子光場輻射發光，燈絲發光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕，環氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達10萬小時。LED燈具使用壽命可達5～10年，可以xxx降低燈具的維護費用，避免經常換燈之苦。

4、安全可靠性強

發熱量低，無熱輻射性，冷光源，可以安全抵摸：能精確控制光型及發光角度，光色柔和，無眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質。內置微處理系統可以控制發光強度，調整發光方式，實現光與藝術結合。

5、有利于環保

LED為全固體發光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發成輕便薄短小型照明產品，也便于安裝和維護。當然，節能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統光源昂貴，但是用一年時間的節能收回光源的投資，從而獲得4～9年中每年幾倍的節能凈收益期。

LED光源

要了解二極管的發光原理，首先要了解半導體的基本知識。半導體材料的導電性質介于導體和絕緣體材

料之間，它的獨特之處在于：當半導體受到外界光和熱條件的刺激時，它的導電能力會發生顯著的變化；在純凈的半導體中加入微量的雜質，其導電能力也會顯著的增加。在近代電子學中用得最多的半導體就是硅（Si）和鍺（Ge），它們的最外層電子都是4個，在硅或者鍺原子組成晶體時相鄰的原子相互影響，使外側電子變成兩個原子共有的，這就形成了晶體中的共價鍵結構，這是一種約束能力很小的分子結構。在室溫（300K）情況下，由于受到熱激發就會使一些最外層電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵束縛變成自由電子，這個過程叫做本征激發。在電子擺脫束縛成為自由電子后，共價鍵中會留下一個空位，這個空位稱為空穴，空穴的出現是半導體區別于導體的一個重要特征。

由于共價鍵出現了空穴，在外加電場或者其他的能源作用下，鄰近的價電子就會填補這個空穴，而這個電子的原來位置上又形成新的空穴，以后其他電子再轉移到這個新的空穴上。這樣就產生了一定的電荷轉移我們可以用以下公式對本征半導體中的自由電子的濃度進行計算：

ni（T）=AT3/2e－EG/2kT式中，

EG——電子掙脫共價鍵束縛所需要的能量，單位是eV（電子伏），又被稱為禁帶寬度；

T——溫度；

A——系數；

k——波耳茲曼常數（1．38×10－23J/K）；

e——自然對數的底。

由于在本征半導體中自由電子和空穴是成對出現的，所以這個計算公式也可以用來表示空穴的濃度。在半導體中自由電子（或空穴）的濃度越高，導電能力越強，在常溫附近，溫度每升高8℃，硅的自由電子濃度增加1倍；溫度每升高12℃，鍺的自由電子濃度升高1倍。

在本征半導體中加入少量的五價元素雜質如磷等，它在與其他半導體原子結成共價鍵以后會有一個多余的電子，這個多余的電子只需要非常小的能量就能擺脫束縛成為自由電子，這類雜質半導體被稱為電子半導體（N型半導體）。而在本征半導體中加入少量的三價元素雜質（如硼等），因為它外層只有三個電子，在與周圍的半導體原子組成共價鍵以后會在晶體中產生一個空位，這類雜質半導體被稱為空穴半導體（P型半導體）。在N型和P型半導體結合后，在它們的交界處就會出現自由電子和空穴的濃度差別，于是電子和空穴都要向濃度低的地方擴散，留下了一些帶電卻不能移動的離子，從而破壞了N區和P區原來的電中性。這些不能移動的帶電粒子通常被稱為空間電荷，它們集中在N區和P區交界面附近形成了一個很薄的空間電荷區，這就是我們所說的PN結。

在PN結的兩端加上正向偏置電壓（P型的一邊加正電壓）后，空穴和自由電子就會相互移動，形成一個內電場。隨后新注入的空穴和自由電子再重新復合，復合的同時有時會以光子的形式釋放多余能量，這就是我們所見到的LED發出的光。這樣的光譜范圍是比較窄的，由于每種材料的禁帶寬度不相同，所以釋放出的光子波長也不同，所以LED發光的顏色由所使用的基本材料決定.

二基色熒光粉轉換

二基色白光LED是利用藍光LED芯片和YAG熒光粉制成的。一般使用的藍光芯片是InGaN芯片，另外也可以使用A1InGaN芯片。藍光芯片LED配YAG熒光粉方法的優點是：結構簡單，成本較低，制作工藝相對簡單，而且YAG熒光粉在熒光燈中應用了許多年，工藝比較成熟。其缺點是，藍光LED效率不夠高，到使LED效率較低；熒光粉自身存在能量損耗；熒光粉與封裝材料隨著時間老化，導致色溫漂移和壽命縮短等。

三基色熒光粉轉換

在較高效率前提下有效提升LED的顯色性。得到三基色白光LED的最常用辦法是，利用紫外光LED激發一組可被輻射有效的三基色熒光粉。這種類型的白光LED具有高顯色性，光色和色溫可調，使用高轉換效率的熒光粉可以提高LED的光效。不過，紫外LED+三基色熒光粉的方法還存在一定的缺陷，比如熒光粉在轉換紫外輻射時效率較低;粉體混合較為困難；封裝材料在紫外光照射下容易老化，壽命較短等。

多芯片白光LED光源

將紅、綠、藍三色LED芯片封裝在一起，將它們發出的光混合在一起，也可以得到白光。這種類型的白光LED光源，稱為多芯片白光LED光源。與熒光粉轉換白光LED相比，這種類型LED的好處是避免了熒光粉在光轉換過程中的能量損耗，可以得到較高的光效；而且可以分開控制不同光色LED的光強，達到全彩變色效果，并可通過LED的波長和強度的選擇得到較好的顯色性。此方法弊端在于，不同光色的LED芯片的半導體材質相差很大，量子效率不同，光色隨驅動電流和溫度變化不一致，隨時間的衰減速度也不同。為了保持顏色的穩定性，需要對3種顏色的LED分別加反饋電路進行補償和調節，這就使得電路過于復雜。另外，散熱也是困擾多芯片白光LED光源的主要問題。

（1）顏色：主要有紅色、綠色、藍色、青色、黃色、白色、琥珀色。

（2）電流：根據功率級的不同，常用的LED電流在20mA-2A不等。

（3）電壓：電壓與顏色有關系，一般紅、綠、藍的VF在1.8-2.4V之間；白、藍、綠的電壓在3.0-3.6之間

（4）反向電壓Vrm：LED所允許的xxx反向電壓。超過此值，LED可能被擊穿損壞。需注意的是，有的LED是不允許反向的（如OSRAM），一般Vrm在3-5V之間。

（5）色溫：以xxx溫度K來表示。eg.夏日正午陽光5500K，下午日光4000。

（6）發光強度：以坎德拉cd來計。這個量表明發光體在空間發射的會聚能力，是對光功率和會聚能力的一個共同描述。eg.Ф5的LED的I約為5mcd。

（7）光通量：以流明lm來計。此量是描述光源的發光總量的大小，與光功率等價。現有的1W的LED光通量可以做到80-130lm。

（8）光照度：以勒克斯lux來計。即均勻分布在1㎡表面上的光通量。

（9）顯色性：以CRI來表示。eg.Luxeon冷白為70，中性白為75，暖白為85。

（10） 半值角：發光強度為峰值的一半時距中心線的2倍角度。根據不同應用，可以分為高指向性、標準型和散射型。eg.XP-C的半值角110°。

（11）主波長

（12）峰值波長

（13）中心波長

（14）色純度

（15）半寬度

（16）熱阻：以RθJC來表示，單位為℃/W。目 前國外的功率級LED的熱阻基本在10 ℃/W以內。eg.Rebel，white: 9 ℃/W；XP-G: 6 ℃/W。

（17）壽命：維持到初始光通量70%的時間，而這個時間可以到30.000-100.000小時。

1、節能環保

LED光源燈具

LED的發光原理與白熾燈和氣體放電燈的發光原理都不同，LED光源的能量轉化效率非常高，理論上可以達到白熾燈10%的能耗，LED相比熒光燈也可以達到50%的節能效果。光效為75lm/W的LED較同等亮度的白熾燈耗電減少約80%，節能效果顯著，這對能源十分緊張的中國來說，無疑具有十分重要的意義。LED還可以與太陽能電池結合起來應用，節能又環保。其本身不含

有毒有害物質（如：汞），避免了熒光燈管破裂溢出汞的二次污染，同時又沒有干擾輻射。LED光源的不但更加環保節能，而且LED光源的光機色域更寬，色彩飽和度更高，更為關鍵的是，LED燈飾光源的使用壽命長達60000小時，能徹底解決傳統燈泡光源壽命短的問題。

2、壽命長

正常情況下使用LED，其光衰可以減到70%的標稱壽命是10萬小時，減少了更換頻率和其他維護工作。

3、光色純正

由于典型的LED的光譜范圍都比較窄，不像白熾燈那樣擁有全光譜。因此，LED可以隨意進行多樣化的搭配組合，特別適用于裝飾等方面。鮮艷飽和、純正，無需濾光鏡，可用紅綠藍三色元素調成各種不同的顏色，可實現多變、逐變、混光效果，顯色效果極佳。可實現亮度連續可調，色彩純度高，可實現色彩動態變換和數字化控制。

4、防潮、抗震動

由于LED的外部多采用環氧樹脂來保護，所以密封性能和抗沖擊的性能都很好，不容易損壞。它可以應用于水下照明。

5、外形尺寸靈活：

可實現與建筑的有機融合，達到只見光不見燈的效果;

6、環保：

無有害金屬汞，無紅外和紫外線輻射。大功率LED特點及與其他光源比較LED被稱為“綠色光源”當之無愧。

7、多變幻

LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即 可產生256×256×256=16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。

8、技術先進

與傳統光源單調的發光效果相比，LED光源是低壓微電子產品。它成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等，所以亦是數字信息化產品，是半導體光電器件“高新尖”技術，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。

9、其他優點：

低熱量、小型化、響應時間短等，這些都使LED光源具有很大的優勢，為應用于實際生產生活中創造了有利條件。

1、高效節能一千小時僅耗幾度電（普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節能燈一百小時耗1度電)；

2、超長壽命半導體芯片發光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達五萬小時（普通白熾燈使用壽命僅有一千小時，普通節能燈使用壽命也只有八千小時）；

LED輻照器

3、光線健康光線中不含紫外線和紅外線，不產生輻射（普通燈光線中含有紫外線和紅外線） ；

4、綠色環保不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不會產生電磁干擾（普通燈管中含有汞和鉛等元素，節能燈中的電子鎮流器會產生電磁干擾）；

5、保護視力直流驅動，無頻閃（普通燈都是交流驅動，就必然產生頻閃）；

6、光效率高發熱小，90%的電能轉化為可見光（普通白熾燈80%的電能轉化為熱能，僅有20%電能轉化為光能）；

7、安全系數高所需電壓、電流較小，發熱較小，不產生安全隱患，于礦場等危險場所；

8、市場潛力大低壓、交流供電，電池、太陽能供電，于邊遠山區及野外照明等缺電、少電場所。

但是LED與其他光源比較也有不足的方面，比如在白光照明中顯色性偏低。目 前用黃色熒光粉和藍光產生的白光LED，其顯色性指數約為80。作為一般照明還可以，但對于一些色彩分辨要求高的場所就顯得不足。雖然通過增加適當紅色熒光粉等方法，可以使顯色指數提高到90或者更高，但是與白熾燈的99相比較還是有一定差距，而且其效率會受到影響。通過RGB混色處理也可以提高顯色性，但是在技術在普及應用上還需要做更多工作，因此顯色性方面，LED還需要作提升。至于價格過高、一次性投入較大，其實從綜合成本考慮，很多場合使用LED還是節約了大量成本。

環形光源：直接照射被測物上方。

條型光源：有三種照射效果分別為直射、斜射及測光。

線型光源：有聚光效果，高亮度可縮短攝影機曝光時間。

回型光源：角度可調整以配合不同特性的待測物及工作距離。

背光源：從待測物背面照射。

外同軸反射光源：由側向光源經由分光鏡可將光線平行照射于待測物上。

內同軸點狀光源：需搭配同軸鏡頭使用。

半球型壟罩光源：光源經擴散罩漫射可行成一均勻照射區。

1）指示燈類

2）LED背光類

3）LED顯示屏類

4）手持產品背光、閃光類

5）汽車應用類

6）通用照明類

7）景觀照明類

8）特殊照明類

①1962年,GE、Monsanto、IBM的聯合實驗室開發出了發紅光的磷砷化鎵（GaAsP）半導體化合物，從此可見光發光二極管步入商業化發展進程。

②1965年，全球xxx款商用化發光二極管誕生，它是用鍺材料做成的可發出紅外光的LED，當時的單價約為45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化紅色LED。這種LED的效率為每瓦大約0.1流明，比一般的60至100瓦白熾燈的每瓦15流明要低上100多倍。

③1968年，LED的研發取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發出紅光、橙光和黃色光。

④1971，業界又推出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED。

⑤到20世紀70年代，由于LED器件在家庭與辦公設備中的大量應用，LED的價格直線下跌。事實上，LED在那個時代主打市場是數字與文字顯示技術應用領域。

⑥80年代早期的重大技術突破是開發出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的發光效率發出紅光。這一技術進步使LED能夠應用于室外信息發布以及汽車高位剎車燈(CHMSL)設備。

⑦1990年，業界又開發出了能夠提供相當于xxx的紅色器件性能的AlInGaP技術，這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍。

⑧今天，效率最高的LED是用透明襯底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期間，材料技術、芯片尺寸和外形方面的進一步發展使商用化LED的光通量提高了將近30倍。

⑨1994年，日本科學家中村修二在GaN基片上研制出了xxx只藍色發光二極管，由此引發了對GaN基LED研究和開發的熱潮。1996年由日本Nichia公司（日亞）成功開發出白色LED。

⑩20世紀90年代后期，研制出通過藍光激發YAG熒光粉產生白光的LED，但色澤不均勻，使用壽命短，價格高。隨著技術的不斷進步，白光LED的發展相當迅速，白光LED的發光效率已經達到38lm/W，實驗室研究成果可以達到70lm/W，xxx超過白熾燈，向熒光燈逼近。

近幾年來，隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發光效率提高了近1000倍，色度方面已實現了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現，使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經有人指出，高亮度LED將是人類繼愛迪生發明白熾燈泡后，最偉大的發明之一.

隨著一哄而上的市場，作為消費者，選用led依然要冷靜，科學地分析，選用性價比xxx的光源燈具，下面介紹幾種LED的基本性能：

1、亮度。LED的亮度不同，價格不同。用于LED燈具的LED應符合雷射等級Ⅰ類標準。

2、抗靜電能力。抗靜電能力強的LED，壽命長，因而價格高。通常抗靜電大于700V的LED才能用于LED燈飾。

3、波長。波長一致的LED，顏色一致，如要求顏色一致，則價格高。沒有LED分光分色儀的生產商很難生產色彩純正的產品。

LED光源

4、漏電。電流LED是單向導電的發光體，如果有反向電流，則稱為漏電，漏電電流大的LED，壽

命短，價格低。

5、發光。角度用途不同的LED其發光角度不一樣。特殊的發光角度，價格較高。如全漫射角，價格較高。

6、壽命。不同品質的關鍵是壽命，壽命由光衰決定。光衰小、壽命長，壽命長，價格高。

7、晶片。LED的發光體為晶片，不同的晶片，價格差異很大。日本、美國的晶片較貴，一般臺灣地區及國產的晶片價格低于日、美。

8、晶片大小。晶片的大小以邊長表示，大晶片LED的品質比小晶片的要好。價格同晶片大小成正比。

9、膠體。普通的LED的膠體一般為環氧樹脂，加有抗紫外線及防火劑的LED價格較貴，高品質的戶外LED燈飾應抗紫外線及防火。每一種產品都會有不同的設計，不同的設計適用于不同的用途，LED燈飾的可靠性設計方面包含：電氣安全、防火安全、適用環境安全、機械安全、健康安全、安全使用時間等因素。從電氣安全角度看，應符合相關的國際、國家標準。

由于LED是新產品，中國國家標準滯后，但國家提供產品合格測試。具有國際安全認證(如GS、CE、UL等)及國家產品質量合格證的LED燈飾價格要高，因為這些產品在安全設計上是可靠的。消費者注意的是要認真鑒別證書的真偽，現 在有國際安全認證及國家產品合格證的廠家并不多。