LED的原理、術(shù)語、性能及應(yīng)用

劉全恩

（國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

責(zé)任編輯:哈宏疆

在大力倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的形勢(shì)下，LED以壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、能耗低以及環(huán)保、無輻射、無污染、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在最近幾年得到快速發(fā)展，各項(xiàng)性能得到很大提高，因此在顯示、光源、照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并滲透到人類生活的各個(gè)方面。為了使更多人更好地認(rèn)識(shí)了解LED技術(shù)與產(chǎn)品，筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，搜集整理了LED的發(fā)光原理、有關(guān)術(shù)語解釋和性能及在各領(lǐng)域的應(yīng)用等內(nèi)容，希望能進(jìn)一步普及LED知識(shí)，為實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保做一些努力。

1 LED及其發(fā)光原理

LED是Light-Emitting Diode的英文縮寫，中文名叫發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體元件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 LED結(jié)構(gòu)圖

發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為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(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。因此，發(fā)光二極管也即利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管，如圖2所示。當(dāng)在LED即兩端加上正向電壓，電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線。光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)，電流越大，發(fā)的光越強(qiáng)。

圖2 LED注入式電致發(fā)光原理

通過對(duì)其中發(fā)光材料的研究，逐漸開發(fā)出各種不同光譜的LED產(chǎn)品，如紅色、黃色、藍(lán)色、綠色、橙色、琥珀色、藍(lán)綠雙色、紅綠雙色、黃綠色、純綠色、翠綠色、白色等各種發(fā)光顏色的LED。目前，應(yīng)用在顯示領(lǐng)域的LED，主要是紅光、綠光、藍(lán)光和白光等產(chǎn)品。

2 不同光譜的LED（白光除外）

2.1 藍(lán)光LED

藍(lán)光LED是指藍(lán)色發(fā)光二極管，發(fā)光的中心波長(zhǎng)為470 nm，藍(lán)光LED的材料使用氮化鎵（GaN）類半導(dǎo)體，以前曾用硒化鋅（ZnSe）類半導(dǎo)體開發(fā)藍(lán)色LED。但自從1993年12月日亞化學(xué)工業(yè)研發(fā)出GaN類半導(dǎo)體亮度達(dá)1 cd/m2以上的藍(lán)色LED以后，藍(lán)光LED的主要采用GaN類半導(dǎo)體。

藍(lán)光LED的構(gòu)造是在藍(lán)寶石或者碳化硅（SiC）底板的表面上，重疊層積氮化鋁（AlN）半導(dǎo)體層和GaN類半導(dǎo)體層。在稱為活性層、發(fā)藍(lán)色光的部分設(shè)置了使用P型GaN類半導(dǎo)體層和N型GaN類半導(dǎo)體層重疊的構(gòu)造，PN結(jié)是制作高亮度LED所必須采用的構(gòu)造。在使用GaN以外材料的紅色等LED中，PN結(jié)很早就是主流構(gòu)造。而在1993年高亮度藍(lán)色LED研發(fā)出之前，采用GaN類材料難以實(shí)現(xiàn)PN結(jié)，原因是制成N型GaN類半導(dǎo)體層雖較為簡(jiǎn)單，但P型GaN系半導(dǎo)體層的制作則較為困難。此后，通過對(duì)在P型GaN類半導(dǎo)體層和N型GaN類半導(dǎo)體層之間配置的GaN類半導(dǎo)體層采用多重量子阱構(gòu)造，進(jìn)一步改善了GaN類半導(dǎo)體層的質(zhì)量，發(fā)光強(qiáng)度得到大幅提高。

目前，LED在液晶電視、個(gè)人電腦和液晶顯示器及光源、照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和迅速普及，但大部分需求的是白光LED，而生產(chǎn)白光LED的基礎(chǔ)是藍(lán)色LED。預(yù)計(jì)隨著LED應(yīng)用的拓展，藍(lán)色LED將得到更大的發(fā)展。

2.2 紅光LED

紅光LED也是應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光原理制成的LED，問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的半導(dǎo)體材料是磷砷化鎵（GaAsP），驅(qū)動(dòng)電流為20 mA，光通量小，發(fā)光效率約0.11 lm/W。紅色LED波長(zhǎng)為650～700 nm。

到20世紀(jì)80年代初，研制出使用半導(dǎo)體材料為砷鋁化鎵（GaAlAs）的紅光LED，光效率達(dá)到10 lm/W。90年代初，發(fā)紅光、黃光的鎵鋁銦磷（GaAlInP）新材料的研制成功，使LED的光效率得到大幅度提高。在2000年，紅光LED的光效率達(dá)到100 lm/W。最早研制的紅光LED用于電子設(shè)備、儀器儀表的指示燈。隨著LED技術(shù)性能的提高和各種顏色的LED問世，在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 綠光LED

綠光LED是發(fā)射綠光的二極管，綠光中心波長(zhǎng)在560 nm左右。初期的綠光LED用于電子設(shè)備、儀器儀表的指示燈，LED顯示器的光源以及液晶面板的背光源等。當(dāng)前綠光LED器件的材料基礎(chǔ)是III族氮化物半導(dǎo)體，也就是GaN為主，氮化銦（InN）、氮化鋁（AlN）為輔的四元鋁鎵銦氮（AlGaInN）合金體系。

目前工業(yè)界的技術(shù)水平通常做到綠光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率大約是藍(lán)光的50%或更低；綠色LED與紅色LED及藍(lán)色LED相比，電光轉(zhuǎn)換效率較低。因此用紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED構(gòu)成LED顯示器或液晶面板的背光源時(shí)，為了調(diào)制成亮度高且均勻的白色，同時(shí)考慮到人眼的視覺靈敏度，對(duì)綠光最為敏感，白光構(gòu)成中有69%為綠光，因此，RGB三色LED光量的分配比例需為約3∶6∶1或者約3∶7∶1。因綠色LED的亮度不足，必須使用多個(gè)綠色LED來提高輸出功率。

目前已研究出能將原綠光LED的光輸出增加1倍的產(chǎn)品。將綠光LED芯片應(yīng)用在白光RBG芯片上，可降低白光RGB芯片成本，可用2個(gè)綠光LED加上1個(gè)紅光LED、1個(gè)藍(lán)光LED來調(diào)制成高亮度均勻的白色的RGB像素，如圖3所示。這樣可減少RGB器件中LED的數(shù)量，同時(shí)改善光色性能、提高能源效率、散熱和穩(wěn)定性。

圖3 2G+B+R構(gòu)成一個(gè)白色的像素

2.4 紅外LED

紅外LED也稱紅外線發(fā)射二極管（Infrared Light Emitting Diode），它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成紅外光（不可見光）并能輻射出去的發(fā)光器件，發(fā)射紅外光線光的中心波長(zhǎng)超過700 nm，其結(jié)構(gòu)、原理與普通發(fā)光二極管相近，只是使用的半導(dǎo)體材料不同。紅外發(fā)光二極管通常使用砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料，采用全透明或淺藍(lán)色、黑色的樹脂封裝。

紅外LED的工作電壓較低，僅為1.5 V，與紅色LED的2 V以上和藍(lán)色LED的3 V以上相比要低，因此用途比較廣泛，應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的遙控發(fā)射電路中，如電視機(jī)、DVD、機(jī)頂盒等產(chǎn)品的遙控發(fā)射器中發(fā)射管及紅外線通信的光源、測(cè)距傳感器光源、光電耦合器光源以及打印機(jī)機(jī)頭的光源等。

2.5 紫外LED

紫外LED（UV-LED）是發(fā)射紫外光的二極管。一般指發(fā)光中心波長(zhǎng)在400 nm以下的LED，但有時(shí)將發(fā)光波長(zhǎng)大于380 nm時(shí)稱為近紫外LED，而短于300 nm時(shí)稱為深紫外LED。因短波長(zhǎng)光線的殺菌效果高，因此紫外LED常用于冰箱和家電等的殺菌及除臭等用途，同時(shí)紫外LED可與熒光體組合發(fā)出可視光的LED，例如將紅色、綠色和藍(lán)色熒光體與紫外LED組合，可獲得白色LED。紫外LED主要采用GaN類半導(dǎo)體。在產(chǎn)品方面，具有發(fā)光中心波長(zhǎng)從365～385 nm不等的品種。

3 白光LED

白光LED是發(fā)射白光的二極管。白光是一種組合光，在目前市場(chǎng)上白光LED技術(shù)主要可以分為單芯片和多芯片。

3.1 單芯片白光LED

利用熒光粉將藍(lán)光LED或紫外UV-LED所產(chǎn)生的藍(lán)光或紫外光分別轉(zhuǎn)換為雙波長(zhǎng)（Dichromatic）或三波長(zhǎng)（Trichromatic）白光，一般把該技術(shù)稱之為熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED（Phosphor Converted-LED）。有下列幾種:

1）InGaN（藍(lán)）LED/YAG（釔鋁石榴石）熒光粉技術(shù)

該技術(shù)是將InGaN（藍(lán)）LED和YAG熒光粉封裝在一起做成。藍(lán)光LED的芯片發(fā)出波長(zhǎng)為450～455 nm的藍(lán)光激發(fā)黃色YAG熒光粉（或紅色、綠色熒光粉）形成白光，如圖4所示。

圖4 白光LED原理示意圖

其中藍(lán)光的波長(zhǎng)越低，激發(fā)能力越強(qiáng)，通常LED波長(zhǎng)出廠控制在500 nm之內(nèi)。在白光LED中，LED的藍(lán)光部分是靠芯片保證的，而其他光色是靠熒光粉保證的；在制作和使用中，可能出現(xiàn)因熒光粉衰減快，使熒光粉的發(fā)光能力變?nèi)酰{(lán)光GaN衰減慢，芯片的保證能力強(qiáng)，因此使用時(shí)間越久藍(lán)光的比例越高，LED發(fā)出的白光色溫越高，演色性（指光源照射物體時(shí)呈現(xiàn)色彩的視覺效果質(zhì)量高低的評(píng)價(jià)）越低。

這種白光效率最高可達(dá)44.3 lm/W，最高光通量為187 lm，產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品可達(dá)120 lm，顯色指數(shù)Ra為75～80，是目前較為成熟的產(chǎn)品。

2）InGaN（藍(lán)）LED/紅熒光粉+綠熒光粉技術(shù)

該技術(shù)是采用460 nm藍(lán)光LED配以SrGa2S4:Eu2+（綠色）和SrS:Eu2+（紅色）熒光粉，色溫可達(dá)到3000～6000 K，Ra達(dá)到82～87。

3）InGaN（紫外）LED/（紅+綠+藍(lán)）熒光粉

采用385～405 nm的紫外LED配以（紅+綠+藍(lán)）熒光粉，形成白光LED，其Ra大于90，但發(fā)光效率還不夠理想。

3.2 多芯片LED

多芯片型白光LED，經(jīng)由組合兩種（或以上）不同色光的LED組合以形成白光。主要有如下幾種產(chǎn)品:

1）雙芯片LED

雙芯片LED可由（藍(lán)+黃）LED或（藍(lán)+黃綠）LED或（藍(lán)綠+黃）LED制成，此種器件成本比較便宜，但由于是兩種顏色LED形成的白光，顯色性較差。

2）三芯片（藍(lán)+綠+紅）LED

Philips公司用470 nm，540 nm和610 nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色溫達(dá)3500 K。如用470 nm，525 nm和635 nm的LED芯片，則缺少黃色調(diào)，Ra只能達(dá)到20或30。采用波長(zhǎng)補(bǔ)償和光通量反饋方法可使色移動(dòng)降到可接受程度。Norlux公司用90個(gè)三色芯片（紅、綠、藍(lán)）制成10 W的白光LED，每個(gè)器件光通量達(dá)130 lm，色溫為5500 K。

3）四芯片（藍(lán)+綠+紅+黃）LED

采用465 nm，535 nm，590 nm和625 nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。

白光LED的研制成功，是LED從標(biāo)識(shí)功能向照明功能跨出的實(shí)質(zhì)性一步。因白光LED最接近日光，更能較好反映照射物體的真實(shí)顏色。

白光LED的應(yīng)用市場(chǎng)將非常廣泛，它是取代白熾鎢絲燈泡及熒光燈的最好的替代品。目前，白色LED已較成熟應(yīng)用在照明、光源、顯示等領(lǐng)域。

4 與LED相關(guān)的術(shù)語與性能指標(biāo)

4.1 顯色性

顯色性（color rendition），又稱為演色性，是指物體在某光源照射下，顯示的顏色與標(biāo)準(zhǔn)光源照射下顯示的顏色之間相對(duì)差異程度，用平均顯色性指數(shù)（Ra）來表示。國(guó)際照明委員會(huì)CIE把太陽光定為標(biāo)準(zhǔn)光源，平均顯色指數(shù)定為100。其他各類光源的顯色指數(shù)各不相同，平均顯色性指數(shù)越接近100的光源，越能再現(xiàn)與自然光照射時(shí)相同的顏色；反之平均顯色性指數(shù)越低的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較差，人眼所見到的顏色偏差也較大。

一般人工照明光源都用顯色指數(shù)作為顯色性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)也是衡量光源顏色特性的重要參數(shù)。但對(duì)于人工照明光源根據(jù)它的使用環(huán)境和用途不同，對(duì)Ra的要求也不同，因此把人工照明光源的顯色分兩種:

1）保真顯色:能正確顯示物質(zhì)本來的顏色，要使用Ra高的光源，其數(shù)值接近100，顯色的顏色越真實(shí)。如用來顯示圖像的LED顯示屏、LCD電視的LED背光源、前投影機(jī)和背投影機(jī)的背光源；美術(shù)館、物品檢驗(yàn)以及店鋪等要求光源的顯色性在80以上。

2）效果顯色:要鮮明地強(qiáng)調(diào)特定色彩，表現(xiàn)美的生活，可利用光源的顯色性來加強(qiáng)顯色效果。比如在熒光燈的照射下，紅色變得不明朗，黃色被強(qiáng)調(diào)；而在白熾燈的照射之下，紅色被強(qiáng)調(diào)，青色變得不明朗；在紅色光源照射下，綠色物體顯示得灰暗；在黃色光源的照射下，紫色物體失去鮮明；只有在一種高顯色的熒光燈的照射下，物體才能正確地反映其本色。根據(jù)這一原理，可運(yùn)用不同光色，照射室內(nèi)不同陳設(shè)的物體，使之顯現(xiàn)異樣的光彩效果，可豐富人的視覺觀感。對(duì)于這些效果顯色的光源，要求光源的Ra可在50以下。

對(duì)用于照明的白色LED，也分為低Ra和高Ra不同品種。因顯色性與LED發(fā)光效率有密切的關(guān)系，如果優(yōu)先考慮顯色性，發(fā)光效率會(huì)降低20%～30%。為此，出現(xiàn)了發(fā)光效率優(yōu)先和顯色性優(yōu)先的品種。顯色性高的光源，其光譜接近自然光的光譜，其發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)的變化較小；而發(fā)光效率高的光，在人眼視覺靈敏度（人眼對(duì)光的靈敏度）高的領(lǐng)域（550 nm附近的峰值），其發(fā)光峰值較大。

因白光LED是組合光，為獲得高Ra和高發(fā)光效率的白光LED，目前一般采用組合藍(lán)色LED芯片和黃色熒光體得到普通白色LED，其Ra達(dá)70以上，若在其中添加紅色熒光體等即可將Ra提高到80以上；對(duì)近紫外LED組合使用紅色、綠色和藍(lán)色等多種熒光體，可獲得Ra超過90的白光LED。

光源的顯色性影響人眼觀察物體的顏色，對(duì)光源顯色性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)光源質(zhì)量的一個(gè)重要方面。一般人工照明光源都是用一般顯色指數(shù)作為顯色性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，顯色指數(shù)同時(shí)也是衡量光源顏色特性的重要參數(shù)。目前對(duì)于光源顯色指數(shù)的計(jì)算方法主要還是CIE制定的“測(cè)色法”。“測(cè)色法”是CIE制定的一種評(píng)價(jià)光源顯色性的方法，即用試驗(yàn)色評(píng)價(jià)顯色指數(shù)，它與目視效果一致，是計(jì)算顯色指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法，已正式推薦在國(guó)際上采用。

CIE規(guī)定顯色指數(shù)分為特殊顯色指數(shù)Ri和一般顯色指數(shù)Ra。評(píng)價(jià)時(shí)采用一套14種試驗(yàn)顏色樣品，其中1～8試驗(yàn)色用于一般顯色指數(shù)的計(jì)算，代表性顏色為暗灰色、暗黃色、深黃綠色、黃綠色、淡藍(lán)綠色、淡藍(lán)色、淡紫色、紅紫色。這8種顏色樣品包含各種有代表性的色調(diào)，具有中等彩度和明度。CIE除規(guī)定了計(jì)算一般顯色指數(shù)用的8種標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品外，還補(bǔ)充規(guī)定了6種計(jì)算特殊顏色顯色指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品，供檢驗(yàn)光源的某種特殊顯色性能選用，分別是彩度較高的紅、黃、綠、藍(lán)及葉綠色和歐美人的膚色。我國(guó)計(jì)算光源顯色指數(shù)的方法還增加了中國(guó)人女性膚色的顏色樣品。

但白光LED是照明業(yè)近幾年開始發(fā)展起來的新型光源，用CIE顯色指數(shù)來評(píng)價(jià)LED的顯色性是否合適目前還在研究，因此CIE不推薦采用顯色指數(shù)來評(píng)價(jià)LED。

4.2 發(fā)光效率[2]

發(fā)光效率（luminous efficacy）是指光源發(fā)出的光通量（lm）與光源所消耗的功率（W）之比，單位為lm/W。發(fā)光效率只表示光源的效率，與將光源安裝到照明器具上的器具整體效率（綜合效率）是不同的概念。因LED是用低壓直流工作，所以它需要有一個(gè)電源，用來將交流變成低壓直流，稱為“驅(qū)動(dòng)器”，或“電源”，它也將消耗功率，稱為電源效率。照明器具上的整體效率（綜合效率）將包括光源的發(fā)光效率和電源效率。

LED的發(fā)光效率，主要取決于LED芯片的技術(shù)（也是芯片的材料技術(shù)）和熒光體。

發(fā)光效率是將外部量子效率用視覺靈敏度（人眼對(duì)光的靈敏度）來表示的數(shù)值。外部量子效率是發(fā)射到LED芯片和封裝外的光子個(gè)數(shù)相對(duì)于流經(jīng)LED的電子個(gè)數(shù)（電流）所占的比例。如組合使用藍(lán)色LED芯片和熒光體的白色LED的外部量子效率，是相對(duì)于內(nèi)部量子效率（在LED芯片發(fā)光層內(nèi)發(fā)生的光子個(gè)數(shù)占流經(jīng)LED芯片的電子個(gè)數(shù)（電流）的比例）、芯片的光取出效率（將所發(fā)的光取出到LED芯片之外的比例）、熒光體的轉(zhuǎn)換效率（芯片發(fā)出的光照到熒光體上轉(zhuǎn)換為不同波長(zhǎng)的比例）以及封裝的光取出效率（由LED和熒光體發(fā)射到封裝外的光線比例）的乘積決定。

在大力倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保的今天，LED廠商正在努力提高LED的發(fā)光效率。具有關(guān)資料報(bào)道，白光LED的發(fā)光效率現(xiàn)已達(dá)到150～200 lm/W，普遍認(rèn)為:組合使用的藍(lán)色LED和黃色熒光材料等的白色LED，最高發(fā)光效率可達(dá)260 lm/W左右。為挑戰(zhàn)更高的發(fā)光效率，各LED廠商正在全面引入新的芯片技術(shù)、熒光粉技術(shù)以及封裝技術(shù)。在芯片技術(shù)方面，將繼續(xù)提高內(nèi)部量子效率和光取出效率；在熒光體方面，除了提高變換效率外，還采取措施降低因熒光體散射造成的衰減；在封裝技術(shù)方面，改善材料和構(gòu)造，以提高光取出效率。

通過同時(shí)投入芯片、熒光體和封裝等多種技術(shù)進(jìn)行提高發(fā)光效率。使LED在照明、顯示和背光源領(lǐng)域應(yīng)用得到了更大發(fā)展，并有望繼白熾燈和熒光燈之后成為新一代照明光源。

4.3 LED的光譜

光譜（spectrum）是表示相對(duì)于光的波長(zhǎng)，光的強(qiáng)度的分布。一般用x-y平面坐標(biāo)表示，橫坐標(biāo)為光的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為光的強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 LED的光譜示意圖

LED的光譜一般表示為單色LED，例如藍(lán)色LED以波長(zhǎng)470 nm時(shí)為峰值，呈山峰分布；以峰值波長(zhǎng)較短的紫外領(lǐng)域和峰值波長(zhǎng)較長(zhǎng)的綠色領(lǐng)域?yàn)楣獾膹?qiáng)度的測(cè)定極限。對(duì)于熒光燈，組合使用的熒光體的發(fā)光波長(zhǎng)部分為光譜的峰值。白色LED的光譜可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)、三個(gè)甚至更多的峰值。這是因?yàn)椋咨獿ED的白色光是組合了多個(gè)波長(zhǎng)的光獲得的。例如，組合藍(lán)色LED和黃色熒光體時(shí)，峰值在藍(lán)色領(lǐng)域和黃色領(lǐng)域出現(xiàn)。另外，基于藍(lán)色LED的發(fā)光強(qiáng)度的峰值較尖，而基于熒光體的峰值較為平緩。

將LED用于液晶面板背光源時(shí)，理想的情況是LED的光譜在紅色、綠色和藍(lán)色三個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度的峰值。這是因?yàn)長(zhǎng)ED的光最終將經(jīng)由液晶面板的紅色、綠色、藍(lán)色彩色濾光片輸出。獲得三個(gè)發(fā)光強(qiáng)度的峰值時(shí)，有使用紅色、綠色和藍(lán)色三種LED的方法，以及通過改進(jìn)熒光體材料、使用可獲得三個(gè)峰值的白色LED的方法。

在圖5中，給出了藍(lán)色LED和YAG類熒光體、藍(lán)色LED和ZnSe單結(jié)晶底板的發(fā)光、紫外LED和RGB熒光體等白色LED的發(fā)光光譜與熒光燈和自然光的比較示意圖，為便于比較，將峰值亮度調(diào)為一致。從圖中可以看出，雖然都是白色，但發(fā)光光譜大為不同。

另外，LED用于普通的照明器具時(shí)，光譜廣泛分布在可視光領(lǐng)域，這是因?yàn)樗咏匀还猓磁c太陽光的光譜的光線照射物體時(shí)的顏色相接近的緣故。

4.4 LED照明綜合效率

照明綜合效率（lamp and auxiliary efficacy）是指照明光源發(fā)出的全部光通量與照明光源器具整體所消耗功率的比值。對(duì)于LED的照明綜合效率是發(fā)光效率和電源效率之和。

一般情況下，由于LED照明會(huì)受到電源損失和溫度上升的影響，因此照明器具整體的發(fā)光效率（綜合效率）要比LED單體的發(fā)光效率低30%～50%。

以白色LED為例，LED照明器具的綜合效率低于LED單體發(fā)光效率，其原因如下:因?qū)咨獿ED用于照明器具時(shí)，發(fā)光效率多會(huì)降得比白色LED的額定值還要低。這是由于額定值為輸入脈沖電流，LED的發(fā)光部分（活性層）的溫度幾乎不升高的比較理想狀態(tài)下的發(fā)光效率。但照明器具多在向LED輸入固定電流的狀態(tài)下使用，實(shí)際上活性層的溫度會(huì)上升。考慮到這種情況，發(fā)光效率會(huì)降低約20%。另外，在將交流電轉(zhuǎn)換為直流電、向LED供電的電源轉(zhuǎn)換電路上，功率會(huì)降低10%～15%左右。照明器具中設(shè)置有反射板和透鏡，以使光線射向希望的方向，這一過程中會(huì)損失近10%的光線。將這些加在一起，照明器具整體的發(fā)光效率與只有光源的目錄值相比會(huì)降低40%左右。

4.5 LED光效下降現(xiàn)象

光效下降現(xiàn)象是指:向LED芯片輸入較大電力時(shí)，LED的發(fā)光效率不增大反而會(huì)降低的現(xiàn)象。為提高LED的發(fā)光效率，降低成本，節(jié)能環(huán)保，各LED廠商都在致力于抑制光效下降現(xiàn)象。如果能抑制該現(xiàn)象，使用相同的芯片，在輸入較大的電力時(shí)會(huì)增加光通量，因此，可減少獲得相同光通量的芯片數(shù)，可實(shí)現(xiàn)削減單位光通量的成本，從而降低了LED的成本。

光效下降現(xiàn)象的發(fā)生原因主要是LED芯片發(fā)熱及電流集中等引起。因輸入較大電力時(shí)，芯片的光發(fā)生量增大，同時(shí)產(chǎn)生的熱量也增大。這種發(fā)熱會(huì)使芯片內(nèi)部的量子效率惡化，從而導(dǎo)致光效下降。為抑制光效下降現(xiàn)象，采用散熱性較高的封裝構(gòu)造，當(dāng)向LED芯片輸入較大電力時(shí)，也不會(huì)使LED芯片溫度上升，從而有效抑制光效下降現(xiàn)象。另外，如果LED芯片內(nèi)的電流密度變大，也容易引發(fā)光效下降現(xiàn)象。圖6是光效下降現(xiàn)象示意圖。

圖6 光效下降現(xiàn)象示意圖

世界各大LED廠商，在照明用白色LED中，目前已經(jīng)傾力研究如何抑制光效下降現(xiàn)象的技術(shù)。例如，德國(guó)歐司朗光電半導(dǎo)體采用“UX:3”技術(shù)抑制光效衰退現(xiàn)象。UX:3技術(shù)是將藍(lán)色LED芯片表面設(shè)置的N型接觸電極轉(zhuǎn)移到芯片內(nèi)部，使流經(jīng)LED芯片的電流密度在面內(nèi)均勻化，電流密度局部升高的情況消失，由此，可抑制電流密度增加引起的俄歇復(fù)合現(xiàn)象，有助于提高內(nèi)部量子效率，進(jìn)一步提高輸入電流量增加時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度。另外還有的公司提出改進(jìn)發(fā)光層使用的量子阱構(gòu)造以及提高結(jié)晶品質(zhì)等來抑制衰退現(xiàn)象。

5 LED的應(yīng)用

5.1 LED照明

主要指采用白色LED的照明。在早期，LED照明主要用于裝飾性照明。但隨著白色LED的技術(shù)、性能的提高和產(chǎn)品的多樣性，尤其是發(fā)光效率大幅度提高達(dá)150～200 lm/W，可大幅度降低照明器具耗電而受到人們的廣泛關(guān)注，全球逐步開始停止制造與銷售壽命短，耗電量大的白熾燈和熒光燈，改為更高效率的LED照明。并已開始用于汽車燈，公路照明、室內(nèi)的普通照明等用途，其勢(shì)頭將超過被譽(yù)為白熾燈最佳替代品的熒光燈。為適應(yīng)人們習(xí)慣的白熾燈和熒光燈，許多廠商研制生產(chǎn)燈泡型LED和熒光燈型LED照明產(chǎn)品。

5.2 LED顯示屏

LED作為光源不僅在照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在視頻顯示領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。其中有直接用LED顯示屏顯示視頻信號(hào)的LED電視（顯示器）、戶外廣告等，用LED作光源的LCD電視、背投影電視、前投影機(jī)等。

LED顯示屏（LED display或LED screen）是指將LED作為像素縱橫排列，使之可顯示文字和圖像的顯示屏。他是由LED點(diǎn)陣和LED面板組成，通過紅色，藍(lán)色，綠色LED燈的亮滅來顯示文字、圖片、動(dòng)畫、視頻等，內(nèi)容可以隨時(shí)更換，各部分組件都是模塊化結(jié)構(gòu)的顯示器件。傳統(tǒng)LED顯示屏通常由顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。顯示模塊由LED組成的點(diǎn)陣構(gòu)成，進(jìn)行發(fā)光顯示；控制系統(tǒng)通過控制相應(yīng)區(qū)域LED的亮滅，用來顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、視頻、錄像信號(hào)等各種信息。

LED顯示屏的主要分類:

1）LED顯示屏按發(fā)光顏色的不同，可分為單色屏、雙色屏和三色屏（全彩色）。單色屏是指顯示屏只有一種顏色的發(fā)光材料的LED構(gòu)成。在開發(fā)出藍(lán)色LED之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，LED顯示屏基本是單色屏，多為紅色或綠色。雙色屏一般由紅色和黃綠色發(fā)光材料的LED構(gòu)成。三色屏由紅色、綠色、藍(lán)色LED構(gòu)成一組像素，則可實(shí)現(xiàn)全彩色顯示。單色、雙色屏主要用來顯示文字，全彩屏主要是播放動(dòng)畫、圖片和視頻圖像等。

2）LED顯示屏從使用環(huán)境上可分為室外屏和室內(nèi)屏，主要由LED像素點(diǎn)間距和發(fā)光亮度決定。

早期的LED因技術(shù)的不完善和落后，LED像素點(diǎn)間距在20 mm以上，隨著技術(shù)的提高，到20世紀(jì)末期像素點(diǎn)間距達(dá)到10 mm左右，但在室內(nèi)觀看圖像，因受觀看距離的限制，一般觀看距離在2～5 m之間，明顯可看到LED像素點(diǎn)的顆粒，圖像清晰度較低，使觀看者感到不舒服；因此LED像素點(diǎn)間距達(dá)到10 mm以上的顯示屏多用于室外。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，由于LED具有亮度高、工作電壓低、功耗小、大型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定等一系列的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)LED的各廠商，加大投資和研究力度，使生產(chǎn)LED的技術(shù)得到飛躍的發(fā)展，LED像素點(diǎn)間距明顯減小，從2011年的像素間距為2.4 mm（P2.4）的高密度LED顯示屏的面世，到2012年2月底在廣州LED展會(huì)上，展出1.9 mm高密度LED顯示單元；時(shí)隔2個(gè)多月，5月份又推出1.6 mm（P1.6）產(chǎn)品；6月份有公司宣布即將量產(chǎn)1.4 mm高密度LED顯示單元。如以1.4 mm（P1.4）為例，只需要4 m2（2.7 m×1.5m）LED顯示屏就可以實(shí)現(xiàn)1920×1080的高清晰度顯示。可完全解決了LED顯示屏作為室內(nèi)顯示產(chǎn)品所表現(xiàn)的清晰度不夠、顆粒感太強(qiáng)等問題，圖像質(zhì)量可達(dá)到LCD，PDP顯示屏的水平。

3）按控制或使用方式分同步和異步LED顯示屏。

同步方式是指LED顯示屏的工作方式基本等同于計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器，它以至少30場(chǎng)/s的更新速率點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)地實(shí)監(jiān)視器上的圖時(shí)映射計(jì)算機(jī)圖像，通常具有多灰度的顏色顯示能力，可達(dá)到多媒體的宣傳廣告效果。

異步方式是指LED屏具有存儲(chǔ)及自動(dòng)播放的能力，在PC機(jī)上編輯好的文字及無灰度圖片通過串口或其他網(wǎng)絡(luò)接口傳入LED屏，然后由LED屏脫機(jī)自動(dòng)播放，一般沒有多灰度顯示能力，主要用于顯示文字信息，可以多屏聯(lián)網(wǎng)。

4）LED顯示屏的分類還可按顯示性能、按顯示器件等分類。

由于LED顯示屏是由若干LED顯示模塊拼接而成，因此LED顯示屏的尺寸（或顯示面積）可遠(yuǎn)大于LCD、PDP顯示屏，并可根據(jù)用戶需要的屏體大小進(jìn)行拼接和調(diào)整，并且整屏無拼縫，不存在各單元亮度衰減不一致、顏色漂移不一致的問題，并逐點(diǎn)可調(diào)、可校正，動(dòng)態(tài)刷新頻率高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，這樣給LED顯示屏的應(yīng)用拓展了廣闊前景。

在LED業(yè)界，把像素點(diǎn)間距一般小于3 mm（P3.0）的LED顯示屏稱為高密度LED顯示屏多用于室內(nèi)，稱為室內(nèi)屏。與LCD、PDP相比，LED顯示屏還具有以下主要特點(diǎn):1）高亮度:戶外LED顯示屏的亮度大于8000 cd/m2，能夠在戶外全天候使用；戶內(nèi)LED顯示屏的亮度大于2000 cd/m2。2）壽命長(zhǎng):LED壽命長(zhǎng)達(dá)100000 h（十年）以上，（一般指設(shè)計(jì)壽命）。3）視角大:室內(nèi)視角可大于160°，戶外視角可大于120°。4）屏幕面積可大可小，小至不到一平方米，大則可達(dá)幾百、上千平方米。如2010年上海世博會(huì)開幕式場(chǎng)館外安裝的9500 m2巨型LED顯示屏，迄今為止，是世界最大LED顯示屏，無拼縫，同時(shí)可拼接成不同形狀，如圓形、桶形、多邊形等，其他大屏幕顯示終端，如LCD或PDP前投影機(jī)或拼接墻是無法做到的。

5.3 LED電視

LED電視是指在LED顯示屏上加視頻信號(hào)后直接顯示圖像的電視（或叫顯示器）。在目前我國(guó)家電市場(chǎng)上的“LED電視”是用LED作為背光源的液晶電視，單獨(dú)叫LED電視是不正確的，是一種概念忽悠，不是真正意義上的LED電視，其本質(zhì)還是液晶電視。在歐洲，如果生產(chǎn)電視廠家或商家把作光源的背光源液晶電視叫做LED電視是要受到處罰的。

LED電視的分類和主要技術(shù)性能見LED顯示屏。

5.4 LED背光源[3]

自2008年以來，LED背光源的液晶電視逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大。從開始應(yīng)用于筆記本電腦，到現(xiàn)在應(yīng)用于顯示器、液晶電視，LED背光產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，市場(chǎng)占有率不斷增加。到2012年家電市場(chǎng)上的液晶電視90%以上都采用LED背光源。取代了傳統(tǒng)的液晶顯示設(shè)備的冷陰極熒光燈CCFL（cold cathode fluorescent lamp）的背光源。

目前LED電視按照背光源的種類可分為白光LED和RGB-LED。白光LED背光源的LCD TV目前又分為直下式、側(cè)光式兩種。液晶電視導(dǎo)光板的透光方向與液晶屏幕垂直、導(dǎo)光板平行于液晶屏幕。發(fā)光體的光輸入方向位于導(dǎo)光板一面與導(dǎo)光板平行的為直下式光源。

發(fā)光體的光輸入方向在導(dǎo)光板的側(cè)面的稱為側(cè)邊式光源，側(cè)邊式LED光源是一個(gè)由點(diǎn)陣組成的不均勻線光源，直下式LED光源是由點(diǎn)陣組成的不均勻面光源。

LED背光源主要由光源、導(dǎo)光板、光學(xué)膜片、驅(qū)動(dòng)電路、塑膠框等組成。如圖7所示。

1）直下式LED背光源

直下式LED背光源可以用白光LED或RGB-LED做光源，置于屏幕的下方，與CCFL背光源在結(jié)構(gòu)上基本是一致，如圖8所示，其中主要的區(qū)別在于CCFL是線光源，而LED是點(diǎn)光源，如圖9和圖10所示。

圖7 LED背光源的LCD模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 LCD的成像原理示意圖

圖10 白光LED背光源燈的分布

2）側(cè)邊式白光LED

側(cè)邊式白光LED是將LED光源放置在電視的邊框位置，大都緊挨液晶面板排列一層，因此非常節(jié)省空間。圖11給出了側(cè)邊式發(fā)光LED背光源示意圖。

圖11 側(cè)邊式白光LED背光源示意圖

由于側(cè)邊式白光LED背光源位于機(jī)身一側(cè)，因此具有不占用電視機(jī)機(jī)體厚度的特點(diǎn)，易于開發(fā)超薄的電視機(jī)結(jié)構(gòu)，使機(jī)身厚度大幅度下降，可把液晶電視做的很薄，電視機(jī)的厚度可做到10 mm以下。目前市場(chǎng)上銷售的超薄液晶電視基本上都是采用側(cè)邊式LED背光源。

LED背光源具有以下優(yōu)點(diǎn):1）亮度均勻性好；2）色域?qū)挕⒉噬€原性好；3）實(shí)時(shí)色彩管理；4）清晰穩(wěn)定圖像，畫質(zhì)好；5）壽命長(zhǎng)；6）無高壓，安全可靠；7）抗震、環(huán)保性能好；8）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；9）用RGB-LED背光源，與場(chǎng)序技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)無濾色膜的LCD顯示；10）利用LED快速點(diǎn)滅的特性，減小液晶電視的圖像拖尾等優(yōu)點(diǎn)。

與CCFL相比，用LED作為背光源存在白光一致性差的問題。使用RGB-LED背光源時(shí)間長(zhǎng)以后，由于RGB不同顏色衰減的不一致會(huì)產(chǎn)生彩色漂移，波長(zhǎng)會(huì)隨溫度變化，使電視機(jī)的白平衡變壞，亮度和色度均勻性變差，出現(xiàn)屏幕的“花臉”現(xiàn)象等缺點(diǎn)。

由于LED背光源有諸多的優(yōu)點(diǎn)，已取代CCFL光源，成為L(zhǎng)CD的主流光源。

5.5 LED投影機(jī)

LED 投影機(jī)（LED projector）是用R（紅色），G（綠色），B（藍(lán)色）LED，或白色LED作為光源的投影機(jī)。通過采用LED取代傳統(tǒng)的光源——高壓汞燈（UHP）光源；簡(jiǎn)稱LED投影機(jī)。LED光源可分為RGB-LED與白光LED。RGB-LED光源是通過紅、綠、藍(lán)三原色處理圖像色彩，具有最好的光學(xué)特性，色彩表現(xiàn)優(yōu)異，可替代DLP投影機(jī)中的色輪與投影燈泡；而白光LED相對(duì)RGB-LED而言，簡(jiǎn)化了光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)，將彩色濾光片內(nèi)建在微型顯示芯片上，以實(shí)現(xiàn)各種色彩，具備低成本、易量產(chǎn)等特性。圖12是RGB-LED光源的DLP芯片的光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)示意圖。

與UHP燈光源相比，LED光源有許多優(yōu)點(diǎn):

1）體積小，便于投影機(jī)微型化。因LED可以做的體積很小，便于投影機(jī)的設(shè)計(jì)，與DLP與LCOS微型投影芯片搭配，可以制造出各種微型投影機(jī)產(chǎn)品，可嵌入手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本式計(jì)算機(jī)等隨身攜帶的消費(fèi)電子設(shè)備中。圖13是嵌入在手機(jī)中的微型投影機(jī)。

2）亮度衰減小。LED的發(fā)光指向性非常強(qiáng)，亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多，在使用2000 h之后，其衰退率不超過5%。

3）壽命長(zhǎng)。LED是固體發(fā)光元件，壽命長(zhǎng)，理論上可達(dá)到50000 h，約是UHP投影燈泡的10倍，而且頻繁開關(guān)也不會(huì)影響使用壽命；并且耐沖擊和性能穩(wěn)定可靠。

圖12 RGB-LED光源的DLP芯片光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)示意圖

4）色域?qū)挕⑸始兌雀撸苓_(dá)到110%～120%的NTSC色域，彩色還原性好；對(duì)于DLP投影機(jī)，因LED響應(yīng)時(shí)間快，可減小和杜絕圖像的彩虹現(xiàn)象。

5）節(jié)能環(huán)保。因LED在生產(chǎn)過程中不要添加汞，符合環(huán)保要求；并且LED工作電壓低，可用電池驅(qū)動(dòng)無需高電壓，電源電路和散熱構(gòu)造簡(jiǎn)單，還省去了以前用來將光源的白色光分離為RGB三色的色輪等，在發(fā)光過程中發(fā)熱量小、功耗低、節(jié)能。

6）操作簡(jiǎn)單。由于沒有投影燈泡的高熱量問題，LED投影機(jī)即開即關(guān)，可以瞬時(shí)點(diǎn)亮/熄滅，不需要預(yù)熱與冷卻，像操作普通家電產(chǎn)品一樣。

7）LED光源的應(yīng)用。在投影機(jī)方面，由于LED光源體積小，且具有很多顯示技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，為機(jī)身小型化開辟了新的道路。更適于研發(fā)小巧的投影機(jī)，使用戶的投影更加“隨身化”和“自由化”。

雖然LED光源的發(fā)展仍有廣闊前景，現(xiàn)正朝著高亮度、高耐氣候性、高發(fā)光密度、高發(fā)光均勻性、高可靠性、寬色域方向發(fā)展。不過，LED光源投影機(jī)依然面臨著最大的“難以逾越”的困境，就是亮度不足的問題。目前，LED光源投影機(jī)的光通量最高可達(dá)1000 lm，遠(yuǎn)達(dá)不到高端投影機(jī)10000 lm，甚至更高亮度的需求。但現(xiàn)在正在研制的激光光源、LED＋激光混合光源可達(dá)到高端投影機(jī)的高光輸出的需求，有望替代LED光源成為新一代的光源。

[1]LED顯示與背光源技術(shù)全面解析[EB/OL].(2007-12-20)[2012-05-01]。http://www.cnpdb.com/doc/2007-12/1198080944d2925.shtml.

[2]解析LED發(fā)光效率68%電能轉(zhuǎn)化為熱量[EB/OL].[2012-05-01].[http://article.gg-led.com/asdisp-6280672f8d446599-13899.html.

[3]劉全恩.液晶電視:LED背光源向主流邁進(jìn)[J].中國(guó)數(shù)字電視，2010（4）:70-72.