LED的基本特性以及应用

LED 主要结构为PN结。但LED的不是在硅上掺杂，因为硅材料形成的 PN 结能量势垒太低。最早的LED 是由砷化镓（GaAs）制成的，能发出波长约为 905nm 的红外光线。之所以发出这种光，是由砷化镓中自由电子导通带和分子最低能级的价带间的能级差决定的。当LED 施加了外部电压时，电子获得足够的能量而跃迁到导电带，并且产生电流。而电子失去能量，重新回到低能级价带时，就发出了光。

1. LED灯的应用

LED 发出的光有一个重要的特点，就是光谱带很窄，仅20pm 宽，颜色很纯。相比之下，用于通信的半导体激光光谱带则更窄，仅仅 2nm 宽。在光纤系统中，激光狭窄的光谱带，具有非常重要的意义，它使系统具有了较大的带宽。而对于普通用途的 LED 来说，光谱带宽度则不会有太大的影响。

LED 发光的另一个重要特点在于，流经 LED 的电流会被转换成光量子。这意味着，电流加倍可以使亮度加倍，那么通过电流来调光也是可行的。要特别指出，在有一定的电流流过时，LED会发出一定波长的光；若流经的电流发生变化，光的波长就会随之有相应的、微小的变化。通过 PWM（脉冲宽度调制）的手段调节发光强度是一种可行的办法，且应用较广。PWM 调光使用频率在 100~1000Hz 范围内的信号，控制 LED 的导通和关断。减小脉冲的宽度可以调弱发光，增大脉冲的宽度则可以增强发光。

最好的LED 是蓝光LED，它由氮化铟镓（InGaN）制成。把红绿蓝光加在一起，就形成了看上去的白光。之所以说是“看上去”的白光，是因为人眼中有感受红绿蓝光的锥状体。三种颜色在光谱带上的分布是不连续的，只是人眼察觉不到而已。白光 LED 有时通过在蓝光 LED的发光面上摻人黄色发光点而制成。黄色发光体有较宽广的光谱带，当和蓝光混合时，就呈现出白光。

蓝光 LED 一个有趣的应用是在牙科领域。用蓝光照射牙齿填充材料，可以使它们变得坚固。人们发现波长为 465nm 的光是这一应用领域的最佳选择，但光要足够强，以便能照透填充材料。

另外一些有趣的应用则是利用了 LED 光纯度高这一特点。比如可用 LED 光照射新鲜食物，原因在于 LED 光中不含紫外线。照相暗室的照明需使用不影响底片的光线一一以往常用红光白炽灯，如今同样可以采用 LED 照明。即便是交通信号好，也需要用特定颜色范国内的灯光，这在国家标准中有相应的规定。

LED 的颜色会随自身温度的变化发生改变。温度的变化受外部环境的影响，如邻近发热机构；也会受内因的影响，如流经它的电流发生改变。控制环境温度的办法并不多，比如采用风扇，或使 LED 的位置尽量远离热源。在LED 上安装良好的散热片也有助于控制内部温升。

早期的LED电流等级大多为20mA，红光 LED 的正向压降约为2V，其他颜色的路高一些。稍后出现了电流等级约为2mA 的LED。随后，LED 的电流等级逐步增加，30mA、50mA，甚至 100mA 都变得非常普遍。Lumileds 公司是由惠普和飞利浦公司于 1999 年合资建立的，可以生产 350mA 电流的LED。如今，已有许多大功率 LED 的制造商，能生产 350mA、700mA、1A及更高电流等级的 LED。大功率 LED 也使用得越来越广，常见的应用场合有管道灯、交通信号灯、路灯、车灯、洗墙灯以及影院中的台阶和紧急出口的照明用灯等。

多年来，交通信号灯一直使用低功率的LED，如今制造商们开始使用大功率LED 取而代之。这在应用上存在一些难题。难题之一在于有效控制黄光的波长，黄光LED相比其他颜色的LED更容易产生光谱漂移，这容易使发出的光超出允许的光谱范围。另一个难点则在于器件失效带来的安全问题。相关部门允许交通指示灯中有一定数量的LED在使用中失效，但不能超过总量的20%。若超过这个比例，交通信号灯就需要关闭，并报给维修人员进行处理。

车用灯包含多个方面，如车内照明灯、前灯、刹车灯、日行灯(DRL)、后雾灯和倒车灯等。车用领域最大的问题在于，EMI相关规定要求极低的电磁发射，而开关电路很难做到这一点。当不关心效率问题时，可以使用线性驱动电源解决这个问题。线性驱动器可以与车体的金属部件连接来实现散热。与使用白炽灯泡的刹车灯相比，采用LED的刹车灯具有较大的优势。LED的驱动响应时间是以纳秒计的，而白炽灯泡的响应时间则需要大约300ms。以车速100km/h 计，即每分钟1.6km，每秒27m。300ms的时间，一辆车可以前行8m。也就是说，提早停车300ms(即提早观察到前面车给出的刹车灯信号)，就有可能避免一次交通伤亡。LED刹车灯的另一个优势还在于，发生故障的可能性更低。

2. LED光源的测量

总的光通量是以流明(lm)为单位来计量的。流明是以正常人眼的感应程度为衡量标准，对1W功率的光照效果进行衡量的光学计量单位。对应波长为555nm的黄绿色光谱成分，人眼对它的感应效果是最明显的，该波长下的1W光照等效为683lm。

堪得拉(candela，cd)也是一种光学单位。它相当于一盏灯在各个方向出射的光线都均匀的前提下，在每一度球面角内产生的流明数。公式关系为1cd=1lm/sr。一度球面角在距离光源1m的球面上产生的投影面积为1m。出射强度为1cd的光源，在距离1m远的位置产生的光照强度为1lux(勒克斯)，或11m/m2 。

LED 的发光效率可按流明数每瓦来描述。不同的LED制造商之间的产品竞争表现在获得更高的发光效率上。但在比较时，要注意是不是在相同功率等级下进行的。低功率20mA电流等级的LED 比高功率700mA的LED能获得更高的发光效率。

3. LED的等效电路

LED可以看成恒压负载。它的电压降取决于内部光子发射所需跃过的能量势垒。能量势垒由颜色决定，即电压降也取决于发光颜色。是否所有红光LED都具有相同的电压降呢?并非如此，生产过程的差异使得波长不尽相同，因此也造成了电压降上的差异。最高波长的偏差带通常为+10%。两个LED之间的温度不同也会带来颜色上的不同，从而造成电压降的差异。温度较高时，电子更容易越过能量势垒。电压降以每度2mv的比例，随温度上升而减少。

半导体并非完美的导体，其中存在与恒压负载串联的电阻，如下图所示。这意味着电压降随流经的电流值增大而上升。低功率20mA电流等级LED的等效串联电阻(ESR)约为20Ω，而单颗1W、350mA电流等级的LED的ESR则为1~2Ω(取决于使用何种半导体材料)。ESR与LED的电流等级大致成反比。同种LED的ESR也受生产过程的影响，存在一定范围的偏差。

等效串联电阻的大小等于正向导通压降的增加值除以流经电流的增加值。例如，如果流经的电流从10mA增加到20mA，对应的导通压降从3.5V增加到3.55V，那么可以计算得到ESR为50mV/10mA=5Ω。

在上图中，稳压二极管为理想器件。但实际上，稳压二极管也有ESR，其值比LED的还要大。在LED驱动电源的早期测试阶段，5W、3.9V的稳压二极管可用来替代(白光)LED作为负载。若驱动电源不能按照设计正常工作，稳压二极管就会发生损坏。稳压二极管损坏的成本，要比大功率LED低得多。而且，稳压二极管在工作过程中，不会发出使测试工程师目眩的光。

4.导通压降与颜色和电流的关系

下图所示的是LED正向导通压降与颜色和电流的关系曲线。在导通起始点，红光LED的导通电压降约为2V，蓝光LED的导通压降约为3.5V。具体的压降值取决于不同制造厂商选用的掺杂材料和波长。某一电流值下的导通压降，则取决于初始导通压降和ESR。