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LED灯详细知识
LED灯详细知识
本文由东莞市朗森半导体照明有限公司整理发布
LED是发光二极管（lightemittingdiode）的英文缩写。
它具有耗电省（电流只有10~20mA）；亮度高（发光强度可达上万个mcd）；体积小（直径最小可达1mm）；重量轻（一颗发光管仅重零点几克）；寿命长（10万小时）等优点，已被广泛地应用于各个领域，到处都可以看到它的身影。
例如，手机的显示屏内部就有几颗发光二极管在发光，使你夜晚能看清屏幕，电视机上的指示灯也是用的发光二极管。
公路交叉路口及公路旁的灯杆上悬挂的交通信号灯；街道和广场的路面照明灯；桥梁和建筑物上勾勒轮廓及显示图案文字的LED护栏灯……。
发光二极管颜色有红、橙、黄、黄绿、纯绿、蓝绿、紫、白等多种颜色。
图1是用于室内全彩色LED显示屏的贴片式发光二极管；图2是用于室外全彩色LED显示屏的直插式发光二极管（注：
以下讲述中均用LED代表发光二极管）。
一、LED的结构及发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。
LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n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的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
二、LED光源的特点
1.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。
2.效能：
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3.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
4.稳定性：
10万小时，光衰为初始的50%
5.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
6.对环境污染：
无有害金属汞
7.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
8.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，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
三、单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。
当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。
70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。
90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。
在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。
Led常见问题
什么是LED显示屏的亮度？
LED显示屏的亮度是指显示屏正常工作时，显示屏单位面积上的发光强度，单位是cd/m2（即每平方米的面积上有多少cd的发光强度，“cd”中文称坎德拉，m2中文称平方米）。
LED显示屏的亮度越高，图像的鲜艳程度越好，远处看起来越清晰。
室内视频LED显示屏亮度一般在200cd/m2~1200cd/m2之间。
室外视频LED显示屏亮度一般在3000cd/m2~7000cd/m2之间。
LED显示屏的亮度是一个较难测量的指标（因为测试仪器昂贵），一般可通过测试LED显示屏的LED发光强度来计算，例如一块2500点/m2的室外全彩色LED显示屏，在白平衡时用LED光强仪随机测得10个像素点，红色LED的平均发光强度为420mcd；绿色LED的平均发光强度为1620mcd；蓝色LED的平均发光强度为285mcd。
因为该屏每平方米有2500个像素点，每个像素点有2个红色LED、1个绿色LED、1个蓝色LED，则该LED显示屏的亮度为2500×（2×420+1620+285）=6862.5cd/m2（6862500mcd/m2）
什么是LED显示屏视角？
同一块LED显示屏，当你正对着它观看时，亮度最亮；当你走到它的两个侧面观看时，亮度会逐渐降低，在两侧当亮度降低到正面的1/2时，在这两个侧面位置处的观看方向与显示屏中心点法线方向的夹角就是该显示屏的视角。
LED显示屏的视角反映的是从侧面观看效果是否好的问题，视角大，侧面观看效果好。
反之，侧面观看效果就差，LED显示屏的视角一般分水平视角和垂直视角。
一般室内屏水平视角在150度以上为宜，一般室外屏水平视角在100度以上为宜。
什么是LED显示屏的像素失控率？
像素失控率就是整屏的失控像素数量与整屏像素总数量的百分比。
LED显示屏都有像素失控点（发光状态与控制要求的显示状态不相符合，例如盲点），但只要像素失控率不超过允许范围并呈离散分布就是正常的，在行业标准《LED显示屏通用规范》中规定，室外LED显示屏像素失控率不大于千分之二，室内LED显示屏像素失控率不大于万分之三，且为离散状态。
什么是LED显示屏的灰度等级？
LED显示屏的灰度等级是反映LED显示屏图像层次的一个指标。
视频LED显示屏的灰度等级一般分为64级、128级、256级、512级、1024级、2048级、4096级等。
灰度等级越高，图像层次越清晰，一般灰度等级在256级以上，图像差别就不是很大了。
什么是LED显示屏单元板？
因为LED显示屏都是在工厂生产为一小块一小块的单元模组，再由单元模组组合成显示屏箱体，然后把箱体运到现场拼装而成的，构成LED显示屏的可拆卸的最小显示单元模组就称为单元板。
在LED显示屏行业内，室内LED显示屏的单元模组一般称为单元板；室外LED显示屏的单元模组一般称为单元模组。
单元板的尺寸一般用宽×高来表示。
显示屏的单元模组一般包含驱动电路和LED灯板。
图6是一个室内P10全彩色LED显示屏的单元板，图7是一个室外2500型全彩色LED显示屏单元模组。
什么是LED显示屏箱体？
由多个模组组合在一起的LED显示屏单元称为显示屏箱体。
什么是LED显示屏的扫描板？
扫描板是对LED显示屏单元板进行控制的电子板卡。
一块扫描板可控制多块单元板，扫描板安装在显示屏上，通过网线与控制系统相连。
图8是全彩色LED显示屏的扫描板，图9是双基色LED显示屏的扫描板。
什么是LED显示屏控制板？
控制板（又称发送卡）是对扫描板进行控制的电子板卡，一块控制板可控制多块扫描板。
控制板安装在控制计算机内，通过网线与显示屏上的扫描板相连接，控制板通过计算机主板上的插槽与计算机相连接。
图10是全彩色LED显示屏的控制卡，图11是双基色LED显示屏的控制卡。
LED显示屏框架结构及装饰
LED显示屏的框架结构是指用于固定单元板的内框架和显示屏屏体的外框架，室内LED显示屏一般用铝合金材料制作，然后外面用亚光不锈钢装饰而成，室外LED显示屏一般用钢材制作，然后用铝塑板装饰。
LED显示屏落地支撑结构
我们可把LED显示屏比作一个电视机，那么LED显示屏落地支撑结构就相当于放电视机的电视柜。
因此落地支撑结构一般只能根据现场情况和用户要求才能制作造型和造价。
因此一般由供应商提供LED显示屏重量和外型尺寸，用户找有资质的厂家设计生产。
LED显示屏的用途
LED显示屏具有耗电省、寿命长、亮度高、色彩鲜艳的优点，广泛用于以下场合：
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体育场、体育馆、游泳馆、训练馆内作为计时记分及信息发布之用；
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火车站、汽车站、港口、机场作为信息发布或广告之用；
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室外大型建筑物上、中心广场、商场外墙、商业街、步行街，大型娱乐场所外，作为信息发布、广告发布、城市形象提升等之用；
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室内大楼前厅、各种政务办公大厅、各种营业大厅、各种证券大厅、电视台演播大厅、会议礼堂、学术报告厅的信息发布；
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高速公路上，城市道路边作为交通信息发布；
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移动式LED显示屏可用于各种集会，各种文娱演出背景，城市移动广告的信息发布。
几个光学术语的解释以及换算关系！
1.发光强度（光度）的含义是什么?
答：
发光强度（光度，I）定义为:
点光源在某一方向上的发光强度，即是发光体在单位时间内所射出的光量，也简称为光度，常用单位为烛光（cd，坎德拉），一个国际烛光的定义为以鲸鱼油脂制成的蜡烛每小时燃烧120格冷（grain）所发出的光度，一格冷等于0.0648克
2.发光强度（光度）的单位是什么?
答：
发光强度常用单位为烛光（cd，坎德拉），国际标准烛光（lcd）的定义为理想黑体在铂凝固点温度（1769℃）时，垂直于黑体（其表面积为1m2）方向上的60万分之一的光度，所谓理想黑体是指物体的放射率等于1，物体所吸收的能量可以全部放射出去，使温度一直保持均匀固定，国际标准烛光（candela）与旧标准烛光（candle）的互换关系为1candela=0.981candle
3.什么叫做光通量?
光通量的单位是什么?
答：
光通量（φ）的定义是：
点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者（人能感觉出来的辐射通量）即称为光通量。
光通量的单位为流明（简写lm），1流明（lumen或lm）定义为一国际标准烛光的光源在单位立体弧角内所通过的光通量，由于整个球面面积为4πR2，所以一流明光通量等于一烛光所发出光通量的1/4π，或者说球面有4π,因此按照流明的定义可知一个cd的点光源会辐射4π流明，即φ（流明）=4πI（烛光），假定△Ω为很小的立体弧角，在△Ω立体角内光通量△φ，则有△φ=△ΩI
4.一英尺烛光的含义是什么?
答：
一英尺烛光是指距离一烛光的光源（点光源或非点光源）一英尺远而与光线正交的面上的光照度，简写为1ftc（1lm/ft2，流明/英尺2），即每平方英尺内所接收的光通量为1流明时的照度，并且1ftc=10.76lux
5.一米烛光的含义是什么?
答：
一米烛光是指距离一烛光的光源（点光源或非点光源）一米远而与光线正交的面上的光照度，称为勒克斯（lux，也有写成lx），即每平方公尺内所接收的光通量为1流明时的照度（流明/米2）
6.1lux的含义是什么？
答：
每平方公尺内所接收的光通量为1流明时的照度
7.照度的含义是什么?
答：
照度（E）的定义为：
被照物体单位受照面积上所接受的光通量，或者说受光照射的物体在单位时间内每单位面积上所接受的光度，单位以米烛光或英尺烛光（ftc）表示
8.照度与光度、距离之间有什么关系?
答：
照度与光度、距离间的关系是：
E（照度）=I（光度）/r2（距离平方）
9.被照体的照度大小与哪些因素有关?
答：
被照体的照度与光源的发光强度及被照体和光源之间的距离有关，而与被照体的颜色、表面性质及表面积大小无关
光學照明用語
（1）
光通量（Φv）：
單位:
流明（lumen,lm）
由一光源所發射並被人眼感知之所有輻射能稱之為光通量。
光強度（Iv）：
單位:
坎德拉 （candela,cd）
光源在某一方向立體角內之光通量大小。
一般而言，光源會向不同方向以不同之強度放射出其光通量。
在特定方向所放出之可見光輻射強度稱為光強度。
照度（Illuminance,E）
單位：
勒克斯（Lux,lx）
照度是光通量與被照面之比值。
1lux之照度為1流明（lm）之光通量均勻分佈在面積為一平方米之區域。
輝度（Luminance,L）
單位：
坎德拉每平方米（cd/㎡）
一光源或一被照面之輝度指其單位表面在某一方向上的光強度密度，也可說是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度。
輻射計是用於測量不可見光特性的測量設備
輻射通量（Φe）：
瓦特（W）
輻射強度 （Ie）：
瓦特每立方角（W/sr）
用於不可見光方面的量測
色溫（Co1orTemperature）
單位：
絕對溫度（Kelvin,K）
一個光源之色溫被定義為與其具有相同光色之"標準黑體"本身之絕對溫度值，此溫度可以在色度圖上之普朗克軌跡上找到其對應點。
標準黑體之溫度越高,其輻射出之光線光譜中藍色成份越多,紅色成份也就相對的越少。
以發出光色為暖白色之普通白熱燈泡為例，其色溫為2700K，而晝光色日光燈之色溫為6000K。
四、单色光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。
以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。
经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。
而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。
1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。
另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。
五、白光LED的开发
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
1998年发白光的LED开发成功。
这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。
GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。
LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。
（如下图所示）
表一列出了目前白色LED的种类及其发光原理。
目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。
从表中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：
即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。
但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。
表一白色LED的种类和原理
芯片数
激发源
发光材料
发光原理
1
蓝色LED
InGaN/YAG
InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光
蓝色LED
InGaN/荧光粉
InGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
蓝色LED
ZnSe
由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混色成白光
紫外LED
InGaN/荧光粉
InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
2
蓝色LED
黄绿LED
InGaN、GaP
将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED
3
蓝色LED
绿色LED
红色LED
InGaN
AlInGaP
将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED
多个
多种光色的LED
InGaN、GaP
AlInGaP
将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED
采用LED光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。
近期，白色LED已达到单颗用电超过1瓦，光输出25流明，也增大了它的实用性。
表二和表三列出了白色LED的效能进展。
表二单颗白色LED的效能进展
年份发光效能（流明/瓦）备注
19985
199915相若白炽灯
200125相若卤钨灯
200550估计
表三长远发展目标
单颗白色LED
输入功率10瓦
发光效能100流明/瓦
输出光能1000流明/瓦
六、业界概况
在LED业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度LED，以及蓝紫光半导体激光（LaserDiode；LD），是业界握有蓝光LED专利权的重量级业者。
在日亚化学取得兰色LED生产及电极构造等众多基本专利后，坚持不对外提供授权，仅采自行生产策略，意图独占市场，使得蓝光LED价格高昂。
但其他已具备生产能力的业者相当不以为然，部分日系LED业者认为，日亚化工的策略，将使日本在蓝光及白光LED竞争中，逐步被欧美及其他国家的LED业者抢得先机，届时将对整体日本LED产业造成严重伤害。
因此许多业者便千方百计进行蓝光LED的研发生产。
目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商Cree，全球3大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及HP、Siemens、Research、EMCORE等都投入了该产品的研发生产，对促进白光LED产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。
LED（发光二极管）说明：
发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。
当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。
发光二极管在制作时，使用的材料有所不同，那么就可以发出不同颜色的光。
发光二极管的发光颜色有：
红色光、黄色光、绿色光、红外光等。
发光二极管的外形有：
圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。
常用的发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。
使用LED作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和LED所需工作电流来选择。
发光二极管的压降一般为3.0~3.4V，其工作电流一般取10~20mA为宜。
发光二极管主要参数与特性
LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。
它具备pn结结型器件的电学特性：
I-V特性、C-V特性和光学特性：
光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED电学特性
1.1 I-V特性 表征LED芯片pn结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质：
单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
如左图：
（1）正向死区：
（图oa或oa′段）a点对于V0为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区：
电流IF与外加电压呈指数关系
IF=IS（eqVF/KT–1） -------------------------IS为反向饱和电流。
V＞0时，V＞VF的正向工作区IF随VF指数上升 IF=ISeqVF/KT
（3）反向死区：
V＜0时pn结加反偏压
V=-VR时，反向漏电流IR（V=-5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。
（4）反向击穿区V＜-VR，VR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V＜-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
1.2 C-V特性
鉴于LED的芯片有9×9mil（250×250um），10×10mil，11×11mil（280×280um），12×12mil（300×300um），故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。
C-V特性呈二次函数关系（如图2）。
由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。
1.3最大允许功耗PFm
当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IF
LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。
若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P=KT（Tj–Ta）。
1.4响应时间
响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。
现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED都达到10-6~10-7S（us级）。
①响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中tr、tf。
图中t0值很小，可忽略。
②响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。
LED的点亮时间——上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。
LED熄灭时间——下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。
不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间＜10-9S，GaP为10-7S。
因此它们可用在10~100MHZ高频系统。
2 LED光学特性
发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。
2.1发光法向光强及其角分布Iθ
2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。
LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：
位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。
当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。
发光强度随着不同封装形状而
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