元器件科普：LED發光二極體

1 、簡述

發光二極體（名稱取至 "Light Emitting Diode"

的首字母，簡稱LED）是一種能將電能轉化為光能的半導體電子元件，其電氣符號如下圖(1)所示，圖中帶發射狀的表示LED，通常該正極(陽極)引腳用A表示，而負極(陰極)引腳用K表示。發光二極體這種電子元件早在1962年出現，早期只能發出低光度的紅光，之後發展出其他單色光的版本，時至今日能發出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當的光度。目前，發光二極體已被廣泛地應用於室內外LED照明、LED顯示屏、交通信號燈、汽車用燈、TFT

LCD顯示屏的背光源、燈飾、光纖通信等等。

2 、發光原理

LED與普通二極體一樣是由一個PN結組成，也具有單嚮導電性，只是LED可以發光！如圖(2)所示，其發光原理可描述為：

電子（帶負電）多的N (-：negative) 型半導體和空穴（帶正電）多的P (+： positive)

型半導體結合而成。該半導體施加正向電壓時，電子和空穴就會移動並在結合部再次結合，正是在結合的過程中產生大量的能量，而這些能量以光的形式釋放出來，這就是其發光的奧秘。與先將電能轉換為熱能，再轉換為光能的以往光源相比（如:

早期愛迪生髮明的白熾燈），因為LED能夠直接將電能轉換為光能，所以能夠不浪費光能，高效率地獲得光。

3、LED的結構

下面，我們以常見的一個LED白燈為例子，說明一下LED的結構。如圖（3）所示，該LED主要由以下幾個部分構成：

晶元（作用：光源發光）

支架：包括襯底及散熱基座、引腳等（作用：散熱、導電）

金線（作用：導電）

透明樹脂（作用：保護晶粒、透光）

4、LED的種類

根據LED的不同封裝、發光面和特性的不同，LED可大致分成下面的幾個類型：

4.1

插件型LED

如下圖（4），需要指出的是：

插件型LED除了常見的2個腿的單色型LED，還包括3個引腳的雙色型LED，此外還有4個引腳的RGB全彩LED。

4.2

貼片型LED

如下圖（5）所示，通常貼片型SMD的LED分為0402、0603、0805、1206等等封裝，顏色有單色、雙色和RGB全彩。

4.3

高功率LED

如下圖（6）所示，這種LED通常是照明用途的，而且多數是發白色光的LED，功率可達數瓦以上。

4.4

LED 數碼管

如下圖（7）所示，通過將多個LED作成各個欄位，組成特點的字母或組合，可以顯示0~9或米字型(可顯示英文字元)或Bar條段型用於指示進度或比例。

4.5

LED點陣屏

如下圖（8）所示，將LED組成矩陣式，可顯示中英文字母，如廠家的LED顯示屏就是由這些點陣屏模組組合出來的。按顏色，可以是單色、雙色或RGB全彩。

4.6

「智能」LED

如下圖（9）所示，這種類型的LED不僅內含LED燈芯，還內置了控制電路IC，能實現特定的功能，如閃爍Flash

或者匯流排定址控制各個點的顏色等等，代表型號如 ：WS2812、WS2811等等。

4.7

特殊LED

如下圖（10）所示，這種LED之所以特殊，是因為它可發出人類眼睛不可視的燈光，如紅外線、紫外線等等。日常生活中，我們所使用的遙控器就是這種LED燈。

5、LED的主要參數

5.1正向電壓VF

指有正向電流流過時，陽極A與陰極K之間產生的電壓。單位為V（伏特）。在正向電壓正小於某一值（叫閾值）時，電流極小，不發光。當電壓超過某一值後，正向電流隨電壓迅速增加、發光。而超過了正常工作電壓，LED可能被擊穿。通常，不同發光顏色的LED，其正常的正向電壓也不同，如紅燈通常是1.8~2.0V

之間，而藍燈和白燈在2.8~3.3V之間。

5.2正向電流

IF

指有正向電流流過時，陽極A與陰極K之間產生的電流。單位為A（安培）。通常，LED的正向電流應控制在20mA以內，過大的電流容易導致LED的P、N之間的結點溫度Tj過高而導致LED損壞或減少使用壽命。另外，LED

如同普通二極體一樣，在電壓增加時，電流會有很大程度的上升，所以一般LED發光二極體都串接有保護電阻。

5.3發光強度

IV

表示從特定方向觀測到的亮度。單位cd（坎德拉，對應的更小單位是毫坎德拉,

即mcd），一單位立體角內發出一流明的光稱為一坎德拉。比較光強時需要特別注意指向角。光強是指單位立體角內發出的光通量。透鏡作為LED封裝的組成部分可以向特定方向集中光輸出（用透鏡集光），即使光輸出小也能集光，因此光強變大。需要特別指出的是，IV值通常需要指定該LED是在多大的正向電流IF下測量到的。

5.4

光通量 Φv [lm]

是指從光源發射出來的全部光量。單位為lm（流明）。

5.5

主波長 λD[nm]

LED一般用波長表示顏色。主波長相當於眼睛看到的顏色所對應的波長，與發光波長的峰值波長有差異，單位為nm（納米）。

以下是各種發光顏色LED的波長參數：

紫：400～435nm

藍：435～480nm

藍綠：480～500nm

綠：500～560nm

黃綠：560～580nm

黃：580～595nm

橙：595～610nm

紅：610～760nm

白，通常用下面的色坐標來表示。或者簡單用暖白、正白、冷白表示。

※備註：

以上波長範圍、顏色標記根據文獻不同略有差異。

有趣和奇妙的是，傳統發光二極體所使用的無機半導體物料和所它們發光的顏色有關，如下圖所示：

5.5色度坐標

x, y

它指用二維正交坐標系（）x和y）表示LED發光顏色的實際值，如下圖(11)所示：

5.6

色溫

色溫是指當光源所發出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時，黑體的溫度就稱為該光源的色溫。色溫越低，顏色越偏向橙色，色溫越高，顏色越偏向藍色。

5.7發光視角

在發光強度分布圖形（圖12）中，發光強度等於最大強度一半構成的角度稱為半值角。晶元的厚度、封裝模條的外形尺寸、支架反射杯的深度以及支架在模腔中的插入深度都對半值角的大小有直接影響。製造中，可以根據客戶要求，通過選取不同的材料及選用不同的封裝尺寸來得到不同大小的半值角。

從發光強度角分布圖來分有三類：

A高指向性：

一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。

B標準型：

通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

C散射型：

這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大。

5.8

工作溫度

工作環境溫度是影響二極體工作的一個重要參數，對光強電流等參數都有很大影響。

5.9

使用壽命

人稱LED光源為長壽燈。它為固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有鬆動的部分，不存在燈絲髮光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統光源壽命長10倍以上。

6、關於白光LED

LED獲得白色光的方法有多種。這裡只介紹代表性的兩種發光方法。

1)

藍色LED + 黃色熒光體

藍色LED與其輔助色即黃色熒光體組合，獲得白色光。

該方式與其他方式相比，結構簡單、效率高，因此目前已成為主流。

2)

紅色LED + 綠色LED + 藍色LED

光的三基色LED組合，獲得白色光。

該方式比起照明用途，更多的用於全彩LED顯示設備。

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