任务一 LED认识入门

LED是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色的光。1964年首先出现红色LED，之后相继出现黄色、蓝色、绿色LED，白光LED，高亮度LED。彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄各种颜色的LED都达到了坎德拉（cd）级的发光强度，色度方面已实现了可见光波段（380～780nm）的所有颜色。

LED最初用做仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯、显示屏、景观照明、车用照明和手机键盘及背光源等领域中得到了广泛应用。了解LED的基本特征与分类，认识常见LED器件，打开LED认识之门。

一、LED的基本特征与分类

1.LED的基本特征

（1）发光效率高

1879年，美国发明家托马斯·爱迪生发明了具有实用价值的白炽灯（电灯），使人类从漫长的火光照明时代进入电光照明时代。由于白炽灯是由灯丝发热产生可见光照明，发光效率偏低，电能转换成光能的效率达不到5%。到了20世纪40年代初，荧光灯（日光灯）问世，其能量转换效率比白炽灯提高了很多，达到25%。20世纪70年代，荷兰飞利浦公司发明了紧凑型荧光灯（即节能灯），它可以使电能集中转化为我们眼睛可以看见的光，减少其他辐射的产生，比传统灯泡省电。20世纪90年代初，“绿色照明”的提出使LED成为人们的新宠。LED发明于20世纪60年代，最初的GaAsP（磷砷化镓）发光二极管发光效率和亮度较低，只能用做仪表指示灯。随着技术的快速进步和新材料的不断出现，LED的发光效率和能量转换效率快速提高，达到并超过了荧光灯。21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代（称为第四代新光源时代）。

和白炽灯、荧光灯相比，LED属于一次光源，在发光过程中，电能直接变成了光能，发光效率高。LED与几种常见照明方式效能比较见表1-1所示。

从表1-1中可以看出，在发光效率上，LED不仅远超白炽灯，而且也超过荧光灯和节能灯。这意味着不管是白炽灯，还是荧光灯或是节能灯，大部分的耗电变成热量损耗掉。随着研究的深入，作为一种新型的照明光源，LED的光效会远远超过所有照明光源的光效。

（2）使用寿命长，响应快

LED是半导体元件，与白炽灯不同，它没有玻璃、钨丝等易损可动部分，故障率极低，维护费用可以大大降低。一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯、高强度气体放电灯的寿命也不超过10kh，而LED的寿命可达100kh，可见其寿命长得多。

LED的发光响应快，它的响应时间为纳秒（ns）级，而荧光灯一般为毫秒（ms）级。

（3）耗电量少

不同于白炽灯由电能转化为热能再转化为光能，LED是电子直接发光，其电能利用率高达80%以上。LED单管功率为0.03～0.06W，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5V，电流为15～18mA。在同样照明效果的情况下，用LED耗电仅为普通白炽灯的十分之一，荧光灯的二分之一。LED在同等亮度下与白炽灯和荧光灯相比可节省70%～90%的电能。例如，6W的LED灯管和20W的普通荧光灯管流明数相当，照明效果相同，LED比荧光灯管节能70%以上。

（4）体积小，结构牢固

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它体积非常小，重量非常轻。LED结构不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构，能经得起振动、冲击而不致损坏。

（5）安全可靠性高，控制方式灵活

LED属于冷光源，发热量低，无热辐射，可以安全触摸，能精确控制光型及发光角度，光色柔和无眩光，不含汞、钠等可能危害环境的物质，可以实现各种颜色的变化。通过微处理器（CPU）系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术的完美结合。

（6）高亮度，低热量

比高强度气体放电灯（HID）或白炽灯更少的热辐射。

（7）环保

LED是由无毒的材料做成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

2.LED的分类

（1）按波长和亮度分类

LED按照发光波长可以分为可见光和不可见光两类，可见光中又分为一般亮度LED和高亮度LED。其中，红、橙、黄光芯片使用4种元素铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、磷（P）作为材料，称为四元素LED；蓝、绿光芯片则用3种元素铟（In）、镓（Ga）、氮（N），故称为三元素LED；使用2种元素的称为二元素LED。LED按波长和亮度分类见表1-2所示。

（2）按产业分类

LED产业主要可以分成上游外延片生长、中游芯片制造和下游芯片封装三类。

① 上游外延片生长

上游外延片生长是LED的关键技术，附加值也最大。单晶片是衬底，目前使用较多的是蓝宝石（Sapphire）。利用不同材料可以在衬底基板上生长不同材料层的外延晶片，现有的规格大小是一个直径6～8cm的圆形，厚度相当薄，就像是一个平面金属一样。

LED的外延片生长常见的技术有：液相外延（LPE）、气相外延（VPE）及有机金属气相外延（MOCVD）等，其中VPE和LPE技术用来生产一般亮度LED，而MOCVD技术用于生产高亮度LED。LED主要外延片生长技术见表1-3所示。

② 中游芯片制造

中游芯片制造时根据LED的性能需求进行器件结构和工艺设计，通过外延片扩散、金属镀膜，再进行光刻、热处理，形成LED两端的金属电极，接着将基板磨薄拋光后进行切割。依照芯片的大小，可以切割为20k～40k个芯片。这些芯片长得像沙滩上的沙子一样，通常用特殊胶带固定之后，再送到下游作封装处理。

③ 下游芯片封装

下游把从中游来的芯片粘贴并焊接导线架，经由测试、封胶，然后封装成各种不同的产品。

我国LED产业基本都分布在长三角、珠三角、福建及江西、环渤海湾等地区。其中，上海、南昌、厦门和大连是国家首批指定的LED生产制造基地。

（3）按芯片材料分类

LED芯片（外延片）材料分为基板材料和发光材料两类。不同的基板材料和不同的发光材料，对应不同的波长，也对应不同的颜色。LED芯片材料分类见表1-4所示。

（4）按封装结构和管芯数目分类

LED封装结构通常分为点光源、面光源和发光显示器三类。单个芯管一般构成点光源，多个芯管组装一般可构成面光源和线光源，做信息、状态指示及显示用，多个管芯串联和并联组合构成发光显示器。LED结构特征见表1-5所示。

（5）按发光颜色分类

LED发光颜色可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光和白光等。特殊用途的LED，有的包含两种或三种颜色的芯片，可按照时序分别发出两种或三种颜色的光。

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色或是无色，各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。

（6）按出光面特征分类

按发光管出光面特征分为圆灯、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）。

（7）按结构分类

LED按结构分，有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

（8）按发光强度和工作电流分类

按发光强度和工作电流分，有一般亮度的LED（发光强度＜10mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度LED。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）。

（9）按显示屏分类

LED显示屏可按使用环境、显示颜色、显示功能、封装方式不同等分类，几种常用分类方式见表1-6所示。

二、常见LED器件

1.常见LED器件形式

（1）单体LED

单体LED多用于户外显示屏，一般由单个LED晶片、具有聚光作用的反光杯、金属阳极和阴极构成。在制作工艺上，首先是把晶粒封装成单个的发光二极管，称为单灯。用具有透光、聚光能力的环氧树脂做外壳，如图1-3所示。LED显示屏中的每一个可被单独控制的发光单元称为像素，单体LED可用一个或多个不同颜色的单灯构成一个基本像素，可获得较高的亮度。

（2）贴片式（SMD）LED

贴片式LED适用于户内、半户外全彩色显示屏。红绿双基色再加上蓝基色，三种基色就构成全彩色。像素发光明暗变化的程度称为灰度。通过不同灰度的变化，实现最优化的配色方式，再现全彩显示技术的颜色。LED采用贴焊形式封装，可实现单点维护。贴片式LED如图1-4所示。

（3）LED点阵模块

LED点阵模块多用于户内显示屏，通常有若干个LED晶片构成发光矩阵，然后用环氧树脂封装于塑料壳内。适合于行、列扫描驱动，可构成高密度的显示屏。单位面积内像素的数量称为像素密度，点间距是从两两像素间的距离来反映像素密度的。点间距越小，像素密度越高，信息容量越多，适合观看的距离越近；反之，适合观看的距离越远。LED点阵模块如图1-5所示。

（4）LED数码管

LED数码管是由多个发光二极管封在一起组成“8”字形的器件，根据LED的接法不同分为共阴极（负极）和共阳极（正极）两类。LED数码管常用段数一般为7段，有的另加一个小数点，能显示从0～9的10个数字，广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。LED数码管如图1-6所示。

（5）LED像素管

LED像素管以其稳定的性能和独特的结构，作为一个小小的发光整体，可以任意组合成多种电子产品，如LED显示屏、LED交通灯倒计时、LED限速标志、LED雨棚灯、LED装饰灯、LED灯具等等。

为提高亮度，增加视距，将两只以上至数十只LED集成封装成一只集束管，作为一个像素。这种LED集束管主要用于制作户外屏，又称为像素管。LED像素管如图1-7所示。

应用提示

用于发光指示的LED在汽车照明应用中被大量采用。它们可以被集成在门把手附近，用于钥匙孔照明，或者用在后视镜上的转向闪灯，以及踏板照明和杯架照明等。发光指示的形状可以非常简单（直接透光），也能做得非常复杂，来满足精确照明的需要。

2.常见的LED产品

LED作为一种新的产品，一种新的照明方式和一个新兴的行业，拥有广阔的发展前景和巨大的商机。LED产品类别众多，有LED封装器件，LED显示屏，LED背光源，LED室内照明、景观照明、特种照明产品，有LED交通信号标志产品，LED汽车灯饰产品及LED广告、标志、指示产品等。常见的LED产品如图1-8所示。