LED發光管

發光二極體簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物製成的二極體，當電子與空穴複合時能輻射出可見光，因而可以用來製成發光二極體，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極體發紅光，磷化鎵二極體發綠光，碳化硅二極體發黃光。

發光二極體與普通二極體一樣是由一個PN結組成，也具有單嚮導電性。當給發光二極體加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴複合，產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴複合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。常用的是發紅光、綠光或黃光的二極體。

發光二極體的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計算：

R＝（E－UF）／IF

式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的一般工作電流。發光二極體的兩根引線中較長的一根為正極，應按電源正極。有的發光二極體的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。

與小白熾燈泡和氖燈相比，發光二極體的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很小（有的僅零點幾毫安即可發光）；抗衝擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調製通過的電流強弱可以方便地調製發光的強弱。由於有這些特點，發光二極體在一些光電控制設備中用作光源，在許多電子設備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發光管組成7段式半導體數碼管，每個數碼管可顯示0～9十個數目字。

發光二極體還可分為普通單色發光二極體、高亮度發光二極體、超高亮度發光二極體、變色發光二極體、閃爍發光二極體、電壓控制型發光二極體、紅外發光二極體和負阻發光二極體等。

1．普通單色發光二極體

普通單色發光二極體具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發光均勻穩定、響應速度快、壽命長等優點，可用各種直流、交流、脈衝等電源驅動點亮。它屬於電流控制型半導體器件，使用時需串接合適的限流電阻。

普通單色發光二極體的發光顏色與發光的波長有關，而發光的波長又取決於製造發光二極體所用的半導體材料。紅色發光二極體的波長一般為650~700nm，琥珀色發光二極體的波長一般為630~650nm，橙色發光二極體的波長一般為610~630nm左右，黃色發光二極體的波長一般為585nm左右，綠色發光二極體的波長一般為555~570nm。

常用的國產普通單色發光二極體有BT（廠標型號）系列、FG（部標型號）系列和2EF系列，。

常用的進口普通單色發光二極體有SLR系列和SLC系列等。

2．高亮度單色發光二極體和超高亮度單色發光二極體

高亮度單色發光二極體和超高亮度單色發光二極體使用的半導體材料與普通單色發光二極體不同，所以發光的強度也不同。

通常，高亮度單色發光二極體使用砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料，超高亮度單色發光二極體使用磷銦砷化鎵（GaAsInP）等材料，而普通單色發光二極體使用磷化鎵（GaP）或磷砷化鎵（GaAsP）等材料。

3．變色發光二極體

變色發光二極體是能變換髮光顏色的發光二極體。變色發光二極體發光顏色種類可分為雙色發光二極體、三色發光二極體和多色（有紅、藍、綠、白四種顏色）發光二極體。

變色發光二極體按引腳數量可分為二端變色發光二極體、三端變色發光二極體、四端變色發光二極體和六端變色發光二極體。

常用的雙色發光二極體有2EF系列和TB系列，常用的三色發光二極體有2EF302、2EF312、2EF322等型號。

4．閃爍發光二極體

閃爍發光二極體（BTS）是一種由CMOS集成電路和發光二極體組成的特殊發光器件，可用於報警指示及欠壓、超壓指示。

閃爍發光二極體在使用時，無須外接其它元件，只要在其引腳兩端加上適當的直流工作電壓（5V）即可閃爍發光。

5．電壓控制型發光二極體

普通發光二極體屬於電流控制型器件，在使用時需串接適當阻值的限流電阻。電壓控制型發光二極體（BTV）是將發光二極體和限流電阻集成製作為一體，使用時可直接並接在電源兩端。

LED的結構及發光原理

50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極體產生於1960年。LED是英文lightemitting diode（發光二極體）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置於一個有引線的架子上，然後四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

發光二極體的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子複合時會把多餘的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理製作的二極體叫發光二極體，通稱LED。當它處於正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。

1、電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用於公共場所。

2、效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%

3、適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以製備成各種形狀的器件，並且適合於易變的環境

4、穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%

5、響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級

6、對環境污染：無有害金屬汞

7、顏色：改變電流可以變色，發光二極體方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最後為綠色

8、價格：LED的價格比較昂貴，較之於白熾燈，幾隻LED的價格就可以與一隻白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300～500隻二極體構成。

單色光LED的種類及其發展歷史

最早應用半導體P-N結髮光原理製成的LED光源問世於20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發紅光（λp=650nm），在驅動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發光效率約0.1流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠光（λp=555nm），黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初，出現了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。

90年代初，發紅光、黃光的GaAlInP和發綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區（λp=615nm）的光效達到100流明/瓦，而後者製成的LED在綠色區域（λp=530nm）的光效可以達到50流明/瓦。

最初LED用作儀器儀錶的指示光源，後來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是採用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司採用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。

汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由於LED響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發生。

另外，LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領域都得到了應用。

LED光參數介紹

LED的光學參數中重要的幾個方面就是：光通量、發光效率、發光強度、光強分佈、波長。

1、發光效率和光通量

發光效率就是光通量與電功率之比。發光效率表徵了光源的節能特性，這是衡量現代光源性能的一個重要指標。

2、發光強度和光強分佈

LED發光強度是表徵它在某個方向上的發光強弱，由於LED在不同的空間角度光強相差很多，隨之而來我們研究了LED的光強分佈特性。這個參數實際意義很大，直接影響到LED顯示裝置的最小觀察角度。比如體育場館的LED大型彩色顯示屏，如果選用的LED單管分佈範圍很窄，那麼面對顯示屏處於較大角度的觀眾將看到失真的圖像。而且交通標誌燈也要求較大範圍的人能識別。

3、波長

對於LED的光譜特性我們主要看它的單色性是否優良，而且要注意到紅、黃、藍、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。因為在許多場合下，比如交通信號燈對顏色就要求比較嚴格，不過據觀察現在我國的一些LED信號燈中綠色發藍，紅色的為深紅，從這個現象來看我們對LED的光譜特性進行專門研究是非常必要而且很有意義的。

把光強標準燈，LED和配有V（λ）濾光片的硅光電二極體安裝和調試在光具座上，特別是嚴格地調燈絲位置，LED發光部位及接受面位置。

先用光強標準燈校準硅光電二極體，C＝E/S

式中Es＝IS/(d2s)

d s是標準燈與接受器之間的距離，I s是標準燈的光強度，R s是標準燈的響應。

E s＝C •R t式中E t是被測LED的照度，R t是被測LED的響應，則LED的光強度I t為：I t＝E t •d2t

式中d t 是LED與接受面之距離。

對於LED來講，其發光面是圓蓋形狀的，光分佈是很特殊的，所以在不同的測量距離下，光強值會變化，偏離距離平方反比定律，即使固定了測量距離，但是由於接受器接受面積不同，其光強值也會變化。因此，為了提高測量精度，應該把測量距離和接受面積大小相對地給予固定為好。例如，測量距離按照GIE推薦採用316mm，接受器面積固定為10×10mm。在同一測量距離下，LED轉角不同，其光強也相應地有變化，因此為了獲得最佳值，最好讀出最大讀數R t為佳。

光通量測量在變角光度計的轉檯上進行，轉檯上安轉了LED，該轉檯在其水平面上繞著垂直軸旋轉±90度，LED在垂直面上繞著測光軸旋轉360度。在水平面上和垂直面上的轉角的控制是通過步進馬達來實現的。轉檯在導軌上隨意移動，當測量標準燈時，轉檯應離開導軌。

測量時大轉盤在水平面上繞垂直軸旋轉，步進角度為0.9°，正方向90°，反方向90°。LED自身也在旋轉，在每一個水平角度下，垂直平面上每隔18°進行一次信號採集，轉完360°之後共採集到20個數據，按下式計算總光通量。

如果大盤旋轉0°～90°時，小盤轉0°～360°即可。但是大盤旋轉0°～90°時，有可能LED安裝不均勻（不對稱）而引起誤差，因此最好的解決辦法是大盤轉－90°～0°～90°，小盤仍然轉0°～360°，把大盤0°～90°和－90°～0°兩個範圍內絕對值相等的角度上的照度值取平均值來作為0°～90°內的值。

LED總光通量測量的第二種方法是積分求法。此方法的優點是簡單易行，但測量精度不高。LED的總光通量計算方法如下，先計算離積分球入射窗口（入射窗口面積 A）1 距離上標準燈（光強值 I s）進入積分球內的光通量Φs，Φs＝I s • A ／I 2

讀出接收器上的光電流信號i s，然後把LED置於窗口上，讀出相應的接收器光電流信號it，則LED的總光通量Φ為：

Φt=It/IsΦs•K

式中 K 為色修正係數。

3 LED的光譜功率分佈測量方法：

發光二極體的光譜功率分佈測量，目的是掌握LED的光譜特性和色度，再者是為了對已測得的LED的光度量值進行修正。

在測量LED光譜功率分佈時，應注意以下幾點，一個是在與標準光譜輻照度進行比較時由於標準燈的光譜輻強度比LED強得多，為了避免這個問題，最好在標準燈前加一個中性濾光片，使它的光譜輻強度接近於LED。

LED的光譜寬度很窄，為了準確地描繪LED的光譜分佈輪廓，最好採用窄帶波長寬度的單色儀進行測量，波長間隔為1nm為好。

按下式計算LED的光譜功率分佈E t。

Etλ=Esλ•Itλ/Isλ

式中 i 是標準燈在波長 i 處的響應；E 是標準燈的光譜功率分佈；i 是LED在波長λ處的響應。

LED的色坐標計算公式為：

x=∫Etλ•xλdλ

y=∫Etλ•ydλ

z=∫Etλ•ydλ

色坐標為：

x＝X/(X+Y+Z)

y＝Y/(X+Y+Z)

也可計算LED的主波長和色純度。

發光二極體也與普通二極體一樣由PN結構成，也具有單嚮導電性。它廣泛應用於各種電子電路、家電、儀錶等設備中、作電源指示或電平指示。

發光二極體的主要特性表

* cd(坎德拉)發光強度的單位