LED是如何產(chǎn)生有色光的

April 15, 2019

LED的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與製作LED的材料和製程有關(guān)，目前廣泛使用的有紅、綠、藍三種。由於LED工作電壓低（僅1.5-3V），能主動發(fā)光且有一定亮度，亮度又能用電壓（或電流）調(diào)節(jié)，本身又耐沖擊、抗振動、壽命長（10萬小時）。製造LED的材料不同，可以產(chǎn)生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所發(fā)出光的波長，也就是光譜或顏色。

史上第一個LED所使用的材料是砷(As)化鎵(Ga) ，其正向PN結(jié)壓降(VF，可以理解為點亮或工作電壓)為1.424V，發(fā)出的光線為紅外光譜。另一種常用的LED材料為磷(P)化鎵(Ga)，其正向PN結(jié)壓降為2.261V，發(fā)出的光線為綠光。

基於這兩種材料，早期 LED工業(yè)運用GaAs1-xPx材枓結(jié)構(gòu)，理論上可以生產(chǎn)從紅外光一直到綠光范圍內(nèi)任何波長的LED，下標X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通過 PN結(jié)壓降可以確定LED的波長顏色。其中典型的有GaAs0.6P0.4 的紅光LED，GaAs0.35P0.65的橙光LED，GaAs0.14P0.86的黃光 LED等。由於製造採用了鎵、砷、磷三種元素，所以俗稱這些LED為三元素發(fā)光管。

而GaN（氮化鎵）的藍光 LED 、GaP 的綠光 LED和GaAs紅外光LED，被稱為二元素發(fā)光管。而目前最新的製程是用混合鋁(Al)、鈣(Ca) 、銦(In)和氮(N)四種元素的AlGaInN 的四元素材料製造的四元素LED，可以涵蓋所有可見光以及部份紫外光的光譜范圍。

發(fā)光強度：發(fā)光強度的衡量單位有照度單位（勒克司Lux）、光通量單位（流明Lumen）、發(fā)光強度單位（燭光　Candle power） 1CD（燭光）指完全輻射的物體，在白金凝固點溫度下，每六十分之一平方公分面積的發(fā)光強度。（以前指直徑為2.2公分，品質(zhì)為75.5克的鯨油燭，每小時燃燒7.78克，火焰高度為4.5公分，沿水準方向的發(fā)光強度） 1L（流明）指1 CD燭光照射在距離為1公分，面積為1平方公分的平面上的光通量。

1Lux （勒克司）指1L的光通量均勻地分佈在1平方公尺面積上的照度。一般主動發(fā)光體採用發(fā)光強度單位燭光　CD，如白熾燈、LED等；反射或穿透型的物體採用光通量單位流明L，如LCD投影機等；而照度單位勒克司Lux，一般用於攝影等領(lǐng)域。三種衡量單位在數(shù)值上是等效的，但需要從不同的角度去理解。比如：如果說一部LCD投影機的亮度（光通量）為1600流明，其投影到全反射螢?zāi)坏某叽鐬?0英寸（1平方公尺），則其照度為1600勒克司，假設(shè)其出光口距光源1公分，出光口面積為1平方公分，則出光口的發(fā)光強度為1600CD。而真正的LCD投影機由於光傳播的損耗、反射或透光膜的損耗和光線分佈不均勻，亮度將大打折扣，一般有50％的效率就很好了。

實際使用中，光強計算常常採用比較容易測繪的資料單位或變向使用。對於LED螢?zāi)贿@種主動發(fā)光體一般採用CD／平方公尺作為發(fā)光強度單位，并配合觀察角度為輔助參數(shù)，其等效於屏體表面的照度單位勒克司；將此數(shù)值與屏體有效顯示面積相乘，得到整個屏體的在最佳視角上的發(fā)光強度，假設(shè)屏體中每個圖元的發(fā)光強度在相應(yīng)空間內(nèi)恒定，則此數(shù)值可被認為也是整個屏體的光通量。一般室外LED螢?zāi)豁氝_到4000CD／平方公尺以上的亮度才可在日光下有比較理想的顯示效果。普通室內(nèi)LED，最大亮度在700～2000 CD／平方公尺左右。

單個LED的發(fā)光強度以CD為單位，同時配有視角參數(shù)，發(fā)光強度與LED的色彩沒有關(guān)係。單管的發(fā)光強度從幾個mCD到5000mCD不等。LED生產(chǎn)廠商所給出的發(fā)光強度指LED在20mA電流下點亮，最佳視角上及中心位置上發(fā)光強度最大的點。封裝LED時頂部透鏡的形狀和LED晶片距頂部透鏡的位置決定了LED視角和光強分佈。一般來說相同的LED視角越大，最大發(fā)光強度越小，但在整個立體半球面上累計的光通量不變。當多個LED較緊密規(guī)則排放，其發(fā)光球面相互疊加，導(dǎo)致整個發(fā)光平面發(fā)光強度分佈比較均勻。

在計算螢?zāi)话l(fā)光強度時，需根據(jù)LED視角和LED的排放密度，將廠商提供的最大點發(fā)光強度值乘以30％～90％不等，作為單管平均發(fā)光強度。一般LED的發(fā)光壽命很長，生產(chǎn)廠家一般都標明為100，000小時以上，實際還應(yīng)注意 LED的亮度衰減週期，如大部分用於汽車尾燈的UR紅管點亮十幾至幾十小時后，亮度就只有原來的一半了。

亮度衰減週期與LED生產(chǎn)的材料製程有很大關(guān)係，一般在經(jīng)濟條件許可的情況下應(yīng)選用亮度衰減較緩慢的四元素LED。配色、白平衡：白色是紅綠藍三色按亮度比例混合而成，當光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21％，藍色的亮度為10％時，混色后人眼感覺到的是純白色。但LED紅綠藍三色的色品座標因製程過程等原因無法達到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，稱為配色。當為全彩色LED螢?zāi)贿M行配色前，為了達到最佳亮度和最低的成本，應(yīng)儘量選擇三原色發(fā)光強度成大致為3:6:1比例的LED器件組成圖素。

白平衡要求三種原色在相同的調(diào)灰值下合成的仍舊為純正的白色。原色、基色：原色指能合成各種顏色的基本顏色。色光中的原色為紅、綠、藍，下圖為光譜表，表中的三個頂點為理想的原色波長。如果原色有偏差，則可合成顏色的區(qū)域會減小，光譜表中的三角形會縮小，從視覺角度來看，色彩不僅會有偏差，豐富程度減少。

LED發(fā)出的紅、綠、藍光線根據(jù)其不同波長特性和大致分為紫紅、純紅、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍綠、純藍、藍紫等，橙紅、黃綠、藍紫色較純紅、純綠、純藍價格上便宜很多。三個原色中綠色最為重要，因為綠色佔據(jù)了白色中69％的亮度，且處於色彩橫向排列表的中心。因此在權(quán)衡顏色的純度和價格兩者之間的三基色組成方式，在三基色設(shè)計應(yīng)用中通常是，通過調(diào)節(jié)設(shè)定LED電流來達到白平衡和最大的期望亮度值。

我們一般將最簡單、最優(yōu)化的配色方式作為，設(shè)計全彩顯示技術(shù)的顏色再現(xiàn)方法。白平衡是檢驗顏色組成的重要標誌之一。三基色白光一般是紅綠藍三基色按亮度比例混合而成，當光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21%，藍色的亮度為10%時，混色后人眼感覺到的是純白色。早前的CRT電視機到現(xiàn)在的LCD液晶顯示都是這樣組成的。

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