一 : LED的发光原理是什么？
LED的发光原理是什么?
其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输.微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中,当电子经过该晶片时,带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合,电子和空穴消失的同时产生光子.电子和空穴之间的能量（带隙）越大,产生的光子的能量就越高.光子的能量反过来与光的颜色对应,可见光的频谱范围内,蓝色光、紫色光携带的能量最多,桔色光、红色光携带的能量最少.由于不同的材料具有不同的带隙,从而能够发出不同颜色的光.
LED灯具照明光源的主流将是高亮度的白光LED.目前,已商品化的白光LED多是二波长,即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光.未来较被看好的是三波长白光LED,即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光,它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场.
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二 : 白光LED发白光原理
白光LED发白光原理
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白光LED发白光原理
目前市场上白光LED生产技术主要分为两大主流：
第一为利用荧光粉将蓝光LED或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长(Dichromatic)
或三波长(Trichromatic)白光，此项元件技术称之为荧光粉转换白光LED(Phosphor Converted-LED);
第二类则为多芯片型白光LED，经由组合两种(或以上)不同色光的LED组合以形成白光，目前市场上白光LED商品以蓝光LED芯片搭配黄光荧光粉最为普遍，主要应用于汽车照明与手机面板等领域，以目前白光LED产品市场分析，荧光粉转换白光LED可谓主流。 (红色和绿色荧光粉多为硫化物体系，这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大。)
下图简要归纳并比较多种白光LED构装原理和优劣点，其中(a)型构装方式、演色性最佳，但成本最高，尚未能普及;构装方式(b)则具有技术最成熟且成本低廉之优势，但色偏、演色性不佳，须以适当红、黄光荧光粉加以改善，此外，最严重者为日亚化学专利限制难以规避;而构装方式(c)与(d)两者所制作的白光LED演色性俱佳、色偏小、成本低且
专利局限较不严重，因此未来深具发展潜力。
利用发光二极管产生白光的原理与优劣点
荧光粉如何涂在LED灯上?
M.R.Kramas等人发现，如果将荧光粉随意放在LED芯片上，如下图(a)所示发光均匀性不佳，所以改变方式如图(b)所示，将荧光粉均匀地涂在LED表面上，图(c)则比较两者的CCT及Ra值，发现用图(b)方法者其CCT值变动甚少。
白光LED发白光原理
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什么是CCT?
CCT是correlated colour temperature的缩写，意思是相关色温。色温是指当一标准黑体被加热时，随着温度的升高，其颜色由深红至浅红至橙黄至白至蓝白至蓝色的变化，利用黑体的这一特征，当待测光源与黑体在某一温度下的光色相同时，该黑体的温度即为待测光源的色温。色温高光色偏冷，色温低光色偏暖。
色温色相
低于3300 K暖白色 (淡黄白色)
3300 - 5000 K中间白色
超过5000 K冷白色 (淡蓝白色)
白光LED光谱对人眼的影响
人眼最不能接受的是蓝光和UV光，蓝光杀伤人眼活性细胞的能力是绿光的10倍，而UV光杀伤人眼活性细胞的能力又是蓝光的10倍，长期接触大量低波长的蓝光能大量杀伤人眼活性细胞。即使到时多吃有利眼睛的食品也会无作用。
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参见上图，LED白光形成主要是靠蓝光的450-455nm波长击发荧光粉，其中波长越低击发能力越强，通常LED的波长出厂控制在5nm之内。
★LED中蓝光产生的机制主要是蓝光芯片发出蓝光主要集中在450-455nm，而荧光灯的蓝光波长是很广的，从435-500nm;
★LED中采用黄色荧光粉(或红色、绿色荧光粉)，在制造中可能出现因荧光粉衰减(或荧光粉量少，反射不够)而蓝光与初始态不一样而大量涌出，对人眼伤害大大增加;
★LED的蓝光部分是靠芯片保证的，而其它光色是靠荧光粉保证的，其中芯片的保证能力强，而荧光粉的保证能力弱，形成白光LED点灯越久蓝光的比例越来越高。
所以，刚开始使用LED背光的笔记本电脑、手机、电视比较刺眼，用久了头晕眼花、不舒服，长期使用变成眼晴伤害。如果接触LED蓝光的时间越长，患眼病的机率也越高。
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三 : LED发光原理是什么？
LED(发光二极管)照明灯是利用第四代绿色光源LED做成的一种照明灯具。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
[led发光原理]LED发光原理是什么？——特点
[led发光原理]LED发光原理是什么？——原理四 : LED发光原理及牲
第二章
LED的发光原理 及特牲
? LED的发光原理 ? LED的光、色、电特性 ? LED的种类 ? LED的特点 ? 白光LED的实现
? LED是“light emitting diode” 的英文缩写。 ? 中文名:发光二极管。 ? LED是一种将电能转换为光能 的固体电致发光(EL) 半导体器 件。 ? LED实质性核心结构是由元素 谱中的Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物 材料构成的p-n结。
：又叫热辐射，是指物质在高温下发 出的光。
热光
白炽灯：当钨丝在真 空或是惰性气体中加 热至很高的温度，就 会发出白光。
物体的 发光方式
冷光
：某种能源在较低温度时所发 出的光。发冷光时，某个原 生物发光：萤火虫 子的一个电子受外力作用从 基态激发到较高的能态。由 化学发光：荧光粉 于这种状态是不稳定的，该 电子通常以光的形式将能量 阴极射线发光：荧光灯、 释放出来，回到基态。
金卤灯
场致发光：无极灯
电致发光：LED
电致发光原理：电场的作用 激发电子由低能态跃迁到高 能态，当这些电子从高能态 回到低能态的时候，根据能 量守恒原理，多余的能量将 以光的形式释放出来。 LED发光原理：电子与价带 上的空穴复合，复合时得到 的能量以光子的形式释放。
LED发光原理图
1。电子迁移率比空穴大得多。 2。N区的电子注入P区速度小，跃迁到价带与注入和空穴 复合，发射出由N型半导体能量所有决定的光。
LED大都采用直接跃迁材料：
直接带隙半导体 直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半 满能带）只需要吸收能量。 直接带隙半导体（Direct gap semiconductor）的例子：GaAs、 InP半导体。相反，Si、Ge是间接带隙半导体。 直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带跃迁时，电子波矢不 变，在能带图上即是竖直地跃迁，这就意味着电子在跃迁过程中，动量 可保持不变——满足动量守恒定律。相反，如果导带电子下落到价带 （即电子与空穴复合）时，也可以保持动量不变——直接复合，即电子 与空穴只要一相遇就会发生复合（不需要声子来接受或提供动量）。因 此，直接带隙半导体中载流子的寿命必将很短；同时，这种直接复合可 以把能量几乎全部以光的形式放出（因为没有声子参与，故也没有把能 量交给晶体原子）——发光效率高（这也就是为什么发光器件多半采用 直接带隙半导体来制作的根本原因）。 LED的输出光谱决定其发光颜色和光辐射纯度，也反映出半导体的特 性。
目前发光二极管用的都是直接带隙材料
GaAs
Si
直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光
跃迁 （Radiative Transition）有以下可能性：
导 带 价 带
（１）带间复合
导带
Ｅｇ
Ｅｃ
价带
（２）自由激子相互抵消
Ｅｖ
（３）在能带势能波动区， 局部束缚激子的复合
图（１）和（２）是一般ＡｌＧａＩｎＰ红光ＬＥＤ产生光的原理， 而图（３）是ＡｌＧａＩｎＮ蓝光ＬＥＤ产生光的原理．
光 子 E
各种颜色光的波长
光色 波长λ（nm)
780～630
代表波长
700
红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue）
630～600
600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
620
580 550 500 470 420
紫（Violet）
? 光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带 宽度Ｅg有关，即 ???? λ≈1240/Eg（mm） ? 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量， 大小为禁带宽度Eg。 ? Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会 蓝移。反之， Eg越小，所发出的光子波长就 越长，颜色就会红移。 ? 若要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm 红光），半导体材料的Eg应该在1.59～3.26 eV之间。 ? 在此能量范围之内，带隙为直接带的Ⅲ-Ⅳ族 或Ⅲ-Ⅴ族半导体材料只有GaN、 GaP等少数 材料，也可以利用Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族二元化合 物组成新的三元或四元Ⅲ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族固溶 体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与 带隙类型。
? 光的颜色与芯片的材料有关系。 ? 材料不一样，电子和空穴复合的能量不 一样，发出的光也不一样。 ? 红、黄光芯片的主要材料：AlGaInP、 GaAlAs ? 蓝、绿光芯片的主要材料：GaN、 InGaN
窗口层
P-限制层 活性层 N-限制层 布拉格反 射层 衬底
LED是利用化合物材料制成 pn结的光电器件。它具备 pn结结型器件的特性： （1）电学特性 （2）光学特性 （3）热学特性
电 学 特 性
I-V特性 响应时间 允许功耗
LED的伏-安（I-V）特性
（1） LED的伏-安（I-V）特性是流过芯片PN 结电流随施加到PN结两端上电压变化的特 性，它是衡量PN结性能的主要参数，是PN 结制作优劣的重要标志。 （2）LED具有单向导电性和非线性特性。
IF
正向电流 正 向 工 作
VB
击 穿 区 反向死区
区
0
死区电压
对LED较为重要的电学参数
开启电压UON 正向电流IF 正向电压VF 反向电压VR
正向工作电压VF：参数表中给出 开启电压：电压在开启点以前几乎没有 的工作电压是在给定的正向电流 反向漏电：当加反向电压时，外加电场与内建 F 电流，电压一超过开启点，很快就显出 势垒电场方向相同，便阻止了多数载流子的扩 下得到的。小功率彩色LED一般是 最大反向电压VRm：所允许加的最大反向 欧姆导通特性，电流随电压增加迅速增 散运动，所以只有很小的反向电流流
过管子。 在IF=20mA时测得的，正向工作电 电压。超过此值，发光二极管可能被击 大，开始发光。开启点电压因半导体材 但是，当反向电压加大到一定程度时，结在内 压VF在1.5～2.8V。功率级LED一， 穿损坏。反向击穿电压也因材料而异， x 外电场的作用下，把晶格中的电子强拉出来， 料的不同而异。GaAs是1.0V，GaAs1-xP 般在IFAs大致是1.5V（实际值因x值的 =350mA时测得的，正向工 参与导电，因而此时反向电流突然增大，出现 一般在-2V以上即可。 Ga1-xAlx 作电压VF在2～4V。在外界温度升 反向击穿现象。正向的发光管反向漏电流 不同而有些差异），GaP（红色）是 IR<10μA以下反向漏电流I 高时，VF将下降。 R（V= -5V）时，GaP F 1.8V，GaP（绿色）是2.0V，GaNFm 为 为0，GaN 为10uA。反向电流越小，说明LED的 单向导电性能越好。 2.5V 。
正向工作电流I ：它 是指发光二极管正常 发光时的正向电流值。 在实际使用中应根据 需要选择I 在0.6· I 以下。
B
E
C
AlGaInP LED
350mA 3.0v
VB
-20v -100mA
InGaN LED
350mA 3.4v
-7v
-100mA
响应时间
? LED响应时间是指：通一正向电流时开始发光和 熄灭所延迟时间，标志LED反应速度。 ? 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 其响应时间小于10-9S。 因此它们可用在10~100MHZ 的高频系统 中。
允许功耗P
当流过LED的电流为IF、管压降为UF ， 那么，LED的实际功率消耗P为： P=UF×IF LED工作时，外加偏压、偏流一部分 促使载流子复合发出光，还有一部分 变为热，使结温升高。 若结温大于外部环境温度时，内部热 量借助管座向外传热，散逸热量。 为保证LED安全工作，应该保证实际 功率在最大允许功耗范围内。
光 学 特 性
空间分布 光谱分布 光学参数
LED发光强度的空间分布
? 发光强度的空间分布又叫配光曲线。 ? 空间分布不均匀 ? LED辐射的空间特性取决于封装半导体芯片 结构及封装形式。 ? 封装好的LED内可能带有内部反射杯、透镜 以及一些散射和滤色材料。
发光面和角分布
光谱特性
? LED光辐射光谱分布有其独特的一面。 它不是单色光（如激光），也不是宽光 谱辐射（如白炽灯），而是介于两者之 间：有几十纳米的带宽、峰值波长位于 可见光或近红外区域。 ? LED的波长分布有的不对称，有的则有 很好的对称性，具体取决于LED所使用 的材
料种类及其结构等因素。 改变发光 层的电致发光层结构及合金组分的比例， 都会引起谱线的峰值波长和半宽度的变 化。 ? LED光谱特性表征其单色性的优劣和其 主要颜色是否纯正。
YAG荧光粉
LED的光学参数
? 光谱半宽度 ? 峰值波长 ? 中心波长
1.0 相 0.8 对 光 谱 能 0.6 量 0.4
光谱半宽度Δλ:它表示发光 管的光谱纯度。是指图3中 1/2峰值光强所对应两波长之 间隔。中心波长入是指A、B 的中点处对应的波长。
?P
光谱分布和峰值波长：有的发光二极管所 发之光并非单一波长，其波长大体按图所 示。该发光管所发之光中某一波长λP的 光谱能量（光强）最大，该波长为峰值波 长。只有单色光有峰值波长，不同颜色的 LED峰值波长是不同的，红光LED的峰值波 长一般为690nm左右。蓝光LED的峰值波长 一般为470nm左右。
A
B
0.2
400
450
500
550
600
650
700 波长（nm）
热学特性
? 当电流流过LED时，其PN结的温度（简称结温） 将升高，严格意义上说，就把P—N结区的温度定 义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的 尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。 ? 结温的变化将引起LED光输出、发光波长及正向电 压的变化。 ? LED的最高结温与所使用的材料及封装结构有密切 关系。
热的损害
? 当LED的结温升高时，，材料的禁带宽度将 减少，导致LED的发光波长变长，颜色红移。 一般情况下，LED的发光波长随温度变化为 0.2-0.3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜 色鲜艳度。 ? 在室温下，结温每升高1℃，LED的发光强度 会相应地减少1％左右。
结温上升的原因
a、元件不良的电极结构 b、P—N结的注入效率不 完美 c、出光效率的限制 d、LED元件的热散失能力。
降低LED结温的途径
a、减少LED本身的热阻 b、控制额定输入功率 c、减少LED与二次散热机 构安装介面之间的热阻 d、良好的二次散热机构 e、降低环境温度
?
高效率：发光效率高，一个两瓦的LED灯相当于一个15瓦的普通白炽灯灯泡的照明 效果
?
? ?
寿命长：LED灯最长可达100000小时；LED半衰减期可达50000小时以上
低耗电：比同光效的白炽灯最多可节省百分之七十 低故障：LED是半导体元件，与白炽灯和电子节能灯相比，没有真空器件和高压触发 电路等敏感部件，故障极低，可以免维修
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绿色、环保：单色性好，LED光谱集中，没有多余红外、紫外等光谱，热量、辐射很 少，对被照物产生影响少。而且不含汞有害物质，废弃物可回收，没有污染
方向性强：平面发光，方向性强。它与点光源白炽灯不同，视角度≤180°，设计时 一定要注意和利用LED光源有不同
的视角度和不能大于180°的特点 快响应：响应时间短，只有60ns，启动十分迅速；白炽灯是毫秒数量级 低电压：驱动电压低，工作电压为直流，安全
小体积：体积小、重量轻。利用其特点可设计又薄、又轻、又紧凑的各种式样的灯具； 背光源产品 多色彩：LED色彩鲜艳丰富。不同的半导体材料，不同颜色的光。颜色饱和度达到 130%全彩色不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动 态变化效果 控制方便:只要调整电流，就可以随意调光，使灯光更加清晰柔和让人感觉更加舒服
?
? 按发光管发光颜色分 ：红色、黄色、橙色、绿色、蓝光等，有的发
光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或 不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管成还可分有 色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。
? 按发光管出光面特征分：圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、
表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、 φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作 T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。由 半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。 氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20° 或更小，具有很高的指向性。（2）标准型。其半值角为20°～45°。 （3）散射型。半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。 座环氧封装及玻璃封装等结构。
? 从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。一般为尖头环
? 按发光二极管的结构分 ： 全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底
? 按发光强度和工作电流分 ：普通亮度的LED（发光强度＜10mcd）；
超高亮度的LED（发光强度＞100mcd）；把发光强度在10~100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA， 而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。
? 按工作功率分：小功率（＜0.06W）、功率型（0.06W~1W）、大功
率（＞1W）。
用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点
1-PC-LED
(B+Y)
（部分）激发荧光体使其发出黄光 LED发出蓝光 （部分）剩余蓝光 （透镜）复合成白光
蓝光（460）芯片＋YAG:Ce荧光体（560，黄光）光谱
Ce:铈 一种金属元素，是优良 的还原剂，可用来制合金。
? YAG:Ce材料改进
YAG:Ce层厚改变的发射光谱变化（蓝光芯片）
如何衡量 白光LED的优劣？
应用的白光LED技术指标
? 光通量：一个Φ5 LED的光通量仅为1lm左右， 而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。由 于15W白炽灯效率较低，仅8lm/w，
所以一个 15W白炽灯的光通量，与25lm/w的白光功率 LED5W器件相当。 ? 发光效率：目前产业化产品已从 15lm/w提高 到100lm/w以上。 ? 色温 ：在 2500K-10000K之间，最好是 2500K-5000K之间。 ? 显色指数 Ra 最好是100。目前可以达到85。 ? 稳定性：波长和光通量均要求保持稳定，但其 稳定性程度依照明场合的需求而定。 ? 寿命 ：5万小时至10万小时。
? 应用设计
? 二次光学设计、驱动电源设计
? 散热
? 作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列 以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其 应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、 确保LED长期工作。
? 芯片成本
? 价格是直接影响LED照明普及速度的关键因素。 人们期望以LED灯的购置成本+能源成本+维护 成本+废弃物处理成本比白炽灯和荧光灯低， 但消费者仍以购置成本为选择标准，
? 一是做小→尺寸小 ? 二是做大→功率大 ? 三是做快→散热快 ? 四是做低→成本低 ? 五是独立→集成
五 : LED发光原理
原子电子有很多能级，当电子从高能级向低能级跃迁时，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。
LED原理类似。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1个能级(实际上，是一系列的能级)，然后电子在这个能级上跃变并产生光子来发光的。
新型LED显示屏件有功耗低、亮度高、寿命长、尺寸小等优点，本文从LED显示屏件的发展简史开始，探讨了表面贴装LED、汽车应用中的LED和照明用LED的发展趋势，对于从事显示器件开发的中国工程师有一定参考价值。 全球第1款商用化发光二极管(LED)是在1965年用锗材料作成的，其单价为45美元。
1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。到1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色裸片LED。1972年开始有少量LED显示屏用于钟表和计算器。全球首款采用LED的手表最初还是在昂贵的珠宝商店出售的，其售价竟然高达2,100美元。几乎与此同时，惠普与德州仪器也推出了带7段红色LED显示屏的计算器。到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED是那个时代主打的数字与文字显示技术。然而在许多商用设备中，LED显示屏也逐渐受到了来自其它显示技术的激烈竞争，如液晶、等离子体和真空荧光管显示器。
这种竞争性激励LED制造商进1步拓展他们的产品类型，并积极寻求LED具有明显竞争优势的应用领域。此后LED开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯栅和条线图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长，从2位数字到3位甚至4位，从7段数字到能够显示复杂的文字与图案组合的14或16段阵列。到1980年制造商开始提供智能化的点阵LED显示屏。这一技术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位安装停止灯(CHMSL)设备。高亮蓝色LED的发明使真彩广告显示屏的实现成为可能，这样的显示屏能够显示真彩、全运动的视频图像。
蓝光LED的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能量的蓝光部分地转换成其它颜色。现在仅用LED光源就能完全覆盖CIE色度曲线中的所有饱和颜色，并且各种颜色LED与磷的有机整合几乎能够毫无限制地产生任何颜色。在可靠性方面，LED的半衰期(即光输出量减少到最初值一半的时间)大概是1万到10万小时。相反，小型指示型白炽灯的半衰期(此处的半衰期指的是有一半数量的灯失效的时间)典型值是10万到数千小时不等，具体时间取决于灯的额定工作电流。
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