絢麗多彩的LED世界

霍州市職業(yè)中專學(xué)校 吳曉華

LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，其特點是功耗低、高亮度、色彩艷麗、抗振動、壽命長（正常發(fā)光8-10萬小時），是真正的“綠色照明”。以LED為光源的燈飾產(chǎn)品在21世紀(jì)的將來，必然取代白織燈，成為人類照明的又一次革命。

一、LED發(fā)光機理

發(fā)光二極管的核心部分是PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光子的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。

其發(fā)光原理跟激光的產(chǎn)生非常相似。(一個原子中的電子有很多能級，當(dāng)電子從高能級向低能級跳變時，電子的能量就減少了，而減少的能量則轉(zhuǎn)變成光子發(fā)射出去。大量的這些光子就是激光了。)

不過不同的是，LED并不是通過原子內(nèi)部的電子躍變來發(fā)光的，而是通過將電壓加在LED的PN結(jié)兩端，使PN結(jié)本身形成一系列的能級，然后電子在這個能級上躍變放出能量產(chǎn)生光子發(fā)光。

二、LED制造主要工藝過程

基本結(jié)構(gòu)：

普通LED的基本結(jié)構(gòu)，它是用銀漿把管芯裝在引線框架（支架）上，再用金線把管芯的一側(cè)連接到支架的一極，然后用環(huán)氧樹脂封裝成型。

組成LED的主要材料包括：管芯、粘合劑、金線、支架和環(huán)氧樹脂。

管芯：管芯是一個由化合物半導(dǎo)體組成的PN結(jié)。

粘合劑：粘合劑的作用是把管芯粘在支架的反射杯上，一般使用導(dǎo)電銀漿作為粘合劑。粘合劑的性能對LED的可靠性及透光效果有直接影響。

金線：金線的作用是把管芯的電極連接到支架上。主要有φ25μm和φ30μm兩種規(guī)格，一般場合使用φ25μm金線，對于通過電流較大，可靠性要求較高的場合，則使用φ30μm金線。

支架：支架也即LED的外引線，一般使用基體為鐵并鍍銀的支架，有時為了提高制品的散熱性能，則使用基體為銅的支架，當(dāng)然，其材料成本也相應(yīng)增加。

環(huán)氧樹脂：LED采用環(huán)氧樹脂作為封裝材料。環(huán)氧樹脂的性能對LED的光電特性尤其是可靠性有很大影響。它的選擇必須充分考慮其可靠性、出光效果、工藝可行性及價格等。

三、LED發(fā)光效率

一般稱為組件的外部量子效率，其為組件的內(nèi)部量子效率與組件的取出效率的乘積。

四、LED電氣特性

電流控制型器件，負(fù)載特性類似PN結(jié)的UI曲線，正向?qū)妷旱臉O小變化會引起正向電流的很大變化（指數(shù)級別），反向漏電流很小，有反向擊穿電壓。LED正向電壓隨溫度升高而變小，具有負(fù)溫度系數(shù)。LED消耗功率，一部分轉(zhuǎn)化為光能，這是我們需要的。剩下的就轉(zhuǎn)化為熱能，使PN結(jié)結(jié)溫升高。

五、LED光學(xué)特性

LED提供的是寬度很大的單色光，由于半導(dǎo)體的能隙隨溫度的上升而減小，因此它所發(fā)射的峰值波長隨溫度的上升而增長，即光譜紅移。LED發(fā)光亮度L與正向電流I近似成比例。電流增大，發(fā)光亮度也近似增大。另外發(fā)光亮度也與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度高時，復(fù)合效率下降，發(fā)光強度減小。

六、LED熱學(xué)特性

小電流下，LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長就會紅移，亮度會下降，發(fā)光均勻性、一致性變差。尤其點陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響更為顯著。所以散熱設(shè)計很關(guān)鍵。

七、LED壽命

LED的長時間工作會光衰引起老化，尤其對大功率LED來說，光衰問題更加嚴(yán)重。在衡量LED的壽命時，僅僅以燈的損壞來作為LED壽命的終點是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)該以LED的光衰減百分比來規(guī)定LED的壽命，比如35%，這樣更有意義。

八、大功率LED封裝

主要考慮散熱和出光。散熱方面，用銅基熱襯，再連接到鋁基散熱器上，晶粒與熱襯之間以錫片焊作為連接，這種散熱方式效果較好，性價比較高。出光方面，采用芯片倒裝技術(shù)，并在底面和側(cè)面增加反射面反射出浪費的光能，這樣可以獲得更多的有效出光。

九、白光LED

類自然光譜白光LED主要有三種：第一種是比較成熟且已商業(yè)化的藍(lán)光芯片+黃色熒光粉來獲得白光，這種白光成本最低，但是藍(lán)光晶粒發(fā)光波長的偏移、強度的變化及熒光粉涂布厚度的改變均會影響白光的均勻度，而且光譜呈帶狀較窄，色彩不全，色溫偏高，顯色性偏低，燈光對眼睛不柔和不協(xié)調(diào)。人眼經(jīng)過進(jìn)化最適應(yīng)的是太陽光，白熾燈的連續(xù)光譜是最好的，色溫為2500K，顯色指數(shù)為100。所以這種白光還需要改進(jìn)。第二種是紫外光或紫光芯片+紅、藍(lán)、綠三基色熒光粉來獲得白光，發(fā)光原理類似于日光燈，該方法顯色性更好，但同樣存在所用熒光粉有效轉(zhuǎn)化效率低，尤其是紅色熒光粉的效率需要大幅度提高的問題。第三種是利用三基色原理將RGB三種超高亮度LED混合成白光，該方法的優(yōu)點是不需經(jīng)過熒光粉的轉(zhuǎn)換而直接配出白光，除了可避免熒光粉轉(zhuǎn)換的損失而得到較佳的發(fā)光效率外，更可以分開控制紅、綠、藍(lán)光LED的發(fā)光強度，達(dá)成全彩的變色效果（可變色溫），并可由LED波長及強度的選擇得到較佳的演色性。但這種辦法的問題是綠光的轉(zhuǎn)換效率低，混光困難，驅(qū)動電路設(shè)計復(fù)雜。另外，由于這三種光色都是熱源，散熱問題更是其它封裝形式的3倍，增加了使用上的困難。

十、彩色LED燈珠

半導(dǎo)體晶體可以發(fā)射從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。

以下是發(fā)光二極管發(fā)光顏色使用材料及波長

普通紅 磷化鎵 （GaP）700

高亮度紅 磷砷化鎵 (GaAsP) 630

超高亮紅 鋁砷化鎵 (AlGaAs) 660

超高亮紅 磷化鋁銦

鎵 (AlGaInP) 625-640

普通綠、黃綠 磷化鎵 （GaP）565-572

高亮綠 鎵銦鋁磷 （AlGaInP）572

超高亮綠 氮化鎵 （InGaN）505-540

普通黃、橙 磷砷鎵 （GaAsP）590,610

超高亮黃橙 鎵銦鋁磷 （AlGaInP） 590-610

藍(lán) 氮化鎵 （InGaN）455-480

紫 氮化鎵 （GaN）400,430

白 氮化鎵+熒光粉 460

紅外 砷化鎵 （GaAs）>780

另外在一個燈珠里面放紅綠藍(lán)三個芯片，通過PCB板或者IC來控制三色芯片電流大小導(dǎo)通與否來控制光線。這樣一個燈就能發(fā)出：紅、綠、藍(lán)、紅綠、紅藍(lán)、綠藍(lán)、紅綠藍(lán)（就是白光）一共七種顏色，還可以控制流過不同顏色芯片的電流大小來控制某顏色的亮度，從而導(dǎo)致混合出來的光顏色變化。這樣控制從理論上來說，一盞燈可以發(fā)出無窮多種顏色。