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摘 要：LED光源最早应用在指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域。目前，光效超过80lm/W、寿命超过50000h的LED光源已实现工业化生产，LED光源已经开始在城市道路照明中崭露头角。大功率LED由于具有功耗低、光效高、无频闪和可直流驱动等优点，成为太阳能光伏路灯的首选光源。本文主要介绍LED的发光原理、性能特点，以对LED有粗浅认识和了解。 关键词：LED 发光二极管 发光原理 性能指标 一、LED的结构 LED是英文Light Emitting Diode的简称（也被称为发光二极管），是一种具有两个电极的半导体发光器件，属于固态光源。 LED的基本结构如图一所示，是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。 L E D 发光体芯片的面积为1 0 . 1 2 m i l （ 1 m i l =0.0254mm2），目前国际上出现的大芯片LED的芯片面积达40mil.LED的发光过程包括3部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂中，当电子经过该芯片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，在电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，橙色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。 二、LED的发光原理 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。PN结具有正向导通，反向截止、击穿的特性。在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图二所示。 PN结的端电压构成一定的势垒：当加正向偏置电压时势垒下降，P 区和N 区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。 并非所有的电子和空穴复合都能发光。除发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。 LED大都采用直接带隙材料，这样可以使电子直接从导带跃迁到价带与空穴复合而发光，有很高的效率。 理论和实践证明，发光波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，Eg的单位为电子伏特（eV）。 Eg=hv/q=hc/（λq） λ=hc/（qEg）≈1240/Eg（nm） . 式中：v为电子运动速度；h为普朗克常数；q为载流子所带电荷；c为光速。 若能产生可见光（波长在380nm紫光~780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。 三、LED的特性 1、极限参数的意义 （1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 （2）最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 （3）最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 （4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 2、LED光源的特点 （1）电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的光源，特别适用于公共场所。 （2）效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%. （3）稳定性：防震动及抗冲击性能好，寿命10万小时以上。 （4）颜色：光色鲜艳，可实现连续变色。发光二极管可方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，用连续改变电流的方法实现多色发光。 （5）发光特性：定向光源，光束具有方向性。 （6）响应时间：白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。 （7）环境污染：无有害金属汞，无污染废弃物。 （8）适用性：体积小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。 3、LED光源的性能 随着近些年技术的飞速发展，LED的光效直线上升，成本直线下降，显色性不断提高，LED取代白炽灯和节能灯，成为一般照明主导光源和城市道路照明升级光源的时间不会太久。这也使得LED产业成为最具前景和最有活力的朝阳产业之一。 4、白光LED 彩色LED有很多用途，但对于城市道路照明而言，白色LED更具实用性。LED的输出光谱决定其发光颜色及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。选择不同的半导体材料，LED能轻易输出可见光光谱波长（380nm~760nm）范围内的单色光。但可见光的光谱中没有白色光，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光。因此，白光LED技术更为复杂。 对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成：第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。表二列出了目前白光LED的种类及其发光原理。 目前已商品化的白光LED产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉技术制成。“蓝光技术”LED结构如图三所示。 这种L E D是将G a N芯片和钇铝石榴石（Y A G）封装在一起做成。G a N芯片发蓝光（λp = 4 6 5 n m,Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm.蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm.LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。 四、大功率LED 1、大功率LED发热问题 很多人认为LED是“冷”光源，但数据显示，在目前的技术条件下，LED输入电能的80%左右会转变成热能。本人的使用经验：60W大功率LED投光灯通电几分钟后，整个灯具都变得很热。 在LED的工作过程中，光和热相伴产生。提高LED器件的光通量，必须通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加LED的功率密度，导致LED芯片的结温升高，从而直接影响LED器件的性能（如发光效率降低、出射光发生红移，寿命降低等）。 2、大功率LED封装技术 LED封装的目的就是要在工艺上改善LED的电光学特性和热学特性，提高产品可靠性。封装的功能主要包括：a、机械保护，以提高可靠性；b、加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能；c、光学控制，提高出光效率，优化光束分布；d、供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。 经过40多年的发展，LED封装技术和结构先后经历了引脚式（Lamp）、表面组装（贴片）式（SMTLE D ） 、板上芯片直装式（ C O B ） 和系统封装式（SiP）四个阶段，如图四所示。大功率LED路灯光源主要采用COB和SiP两种封装模式。 （1）板上芯片直装式（COB）LED封装 COB是Chip On Board（板上芯片直装）的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的FR-4材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。而引线键合可采用高温下的热超声键合（金丝球焊）和常温下的超声波键合（铝劈刀焊接）。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻（一般为6-12W/m.K）。国内有厂家采用COB封装和微喷主动散热技术，已封装出了220W和1500W的超大功率LED白光光源。 （2）系统封装式（SiP）LED封装 SiP（System in Package）是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片System on Chip（SOC）基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP-LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件（如电源、控制电路、光学微结构、传感器等）集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好（可利用已有的电子封装材料和工艺），集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。按照技术类型不同，SiP可分为四种：芯片层叠型，模组型，MCM型和三维（3D）封装型。 台湾有一公司采用系统封装技术（SiP）， 并通过翅片+热管的方式搭配高效能散热模块，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源。其封装热阻值 4.38℃/W,当环境温度为25℃时，LED结温控制在60℃以下，从而确保了LED的使用寿命和良好的发光性能，具有很强的实用性。
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