LED的发展历程、基础参数及原理

        LED发展历程

        白炽灯是具有争议的20世纪早期最重要的发明。这一时期被称为“第二次工业革命”，而白炽灯在很大程度上改变了普通大众的生活。油灯，电弧灯和煤气灯都曾经存在过，但是没有一种能像白炽灯一样具有如此重大的影响力。

        普通白炽灯寿命短（低于1000小时），效率低（在某些灯具中低于5%）并且色温也较低（2700-3100k）。这些“缺陷”鼓励了更多的研究，到1959年这些研究终于促使了一种经过改进的白炽灯 - 卤素灯的出现。这种新型灯具内部填充了一种气体和诸如碘或溴的卤素。卤素提高了钨丝的寿命，同时避免了蒸发的钨丝在灯泡内表面的沉积。更亮并且更小的卤素灯成为阅读的完美光源。

        卤素被广泛用于汽车前灯和刹车灯内，更高的亮度让驾驶更加安全。1991年，Philips开发出了氙气灯，具有3倍的亮度和2倍的节能效率。氙气灯是一种高强度放电（HID）灯，现在包括许多类型，例如钠灯，水银蒸汽等和金属卤化物灯。

       今天的白炽灯更明亮，具有更佳的颜色，更长的寿命，并且体积更小。但是二十世纪80年代的石油危机引发了对于能源效率和环境的关注。人造光源被确定为需要提高效率的领域，并且已经启动了一项致力于寻找“第四代”光源的计划。

       节能照明（EEL）

       General Electric又一次成为新型照明技术的发明者：即紧凑型荧光灯（CFL）。CFL是一种小型集成封装，包含了一个灯座，一个灯管和一个镇流器。

        荧光灯镇流器起初是电感式并且工作在电线频率上。然而灯光闪烁能够很容易察觉到，会让一些人感到不舒服，并且据说会引起某些人的偏头痛和癫痫发作。而CFL使用电子镇流器，工作频率大大提高，大约为20 KHz，消除了闪烁问题。

        荧光灯发出的颜色是另一个需要解决的问题。Philips通过制造绿色，蓝色和红色磷光体来解决该问题。当以正确的比例混合时，它们会产生非常类似于自然条件下的人造光。这些新型的三基色荧光粉还具有节能的优点，促进了其广泛的采用。

        现代传统照明包括白炽灯（包含卤素灯在内），HID和紧凑型荧光灯。尽管工程师和设计者不断的对它们进行改进，一些固有的问题始终存在：它们包含有害材料，如水银；它们辐射电磁干扰并且能耗较高。

      新型技术

        现在还存在另一种新型照明技术，具有更小的体积和更低的能耗，更高的效率，更长的寿命，更快的开关速度和可以忽略的环境影响。该技术就是大功率发光二极管（LED），现在许多生产商都在为占领市场而相互竞争。Philips Lumileds，OSRAM，GE，Cree，Avago，Optek和Dialight Lumidrives是主流厂商。这些公司正在花巨资投入传统照明应用。许多国家包括欧盟国家，澳大利亚和加拿大在内都提议到2010年停止使用白炽灯。

        归功于大功率LED的灵活性，大范围的新型照明应用正在兴起。医疗保健中的内窥镜，建筑中的装饰灯，汽车上的前灯和刹车灯，交通和采矿中的信号灯等等这些应用仅仅是少数的例子。

        白炽灯已经为我们的世界提供了130年的照明，可是不久也将成为历史。预言是正确的，白光LED在2010年得到全面发展。LED，特别是大功率LED预示着一场新的照明革命。

        LED的基础特征参数解析

　　光强度定义为单位立体角所发射出的光通量，单位为烛光（CandELa,cd）。一般而言，光源会向不同方向以不同强度放射出其光通量，在特定方向单位立体角所放出之可见光辐射强度即称之为光强度。

　　色度（Chromaticity）

　　人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明协会（CIE）根据标准观测者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以纪录，计算出红、绿、蓝三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的CIE1931ColorMatchingFunction（x（（），y（（），z（（）），而根据此一配色函数，后续发展出数种色彩度量定义，使人们得以对色彩加以描述运用。

　　根据CIE1931配色函数，将人眼对可见光的刺激值以XYZ表示，经下列公式换算得到x,y值，即CIE1931（x,y）色度坐标，透过此统一标准，对色彩的描述便得以量化并加以控制。

　　x,y:CIE1931色度坐标值（ChromaticityCoordinates）

　　然而，由于以（x,y）色度坐标所建构之色域为非均匀性，使色差难以量化表示，所以CIE于1976年将CIE1931色度坐标加以转换，使其所形成之色域为接近均匀之色度空间，让色彩差异得以量化表示，即CIE1976UCS（UniformChromaticityScale）色度坐标，以（u'',v‘）表示。

　　主波长（λD）

　　其亦为表达颜色的方法之一，在得到待测件的色度坐标（x,y）后，将其标示于CIE色度坐标图（如下图）上，连结E光源色度点（色度坐标（x,y）=（0.333,0.333））与该点并延伸该连结线，此延长线与光谱轨迹（马蹄形）相交的波长值即称之为该待测件的主波长。惟应注意的是，此种标示方法下相同主波长将代表多个不同色度点，是以用于待测件色度点邻近光谱轨迹时较具意义，而白光LED则无法以此种方式描述其颜色特性。

　　纯度（Purity）

　　其为以主波长描述颜色时之辅助表示，以百分比计，定义为待测件色度坐标与E光源之色度坐标直线距离与E光源至该待测件主波长之光谱轨迹（SpectralLocus）色度坐标距离的百分比，纯度愈高，代表待测件的色度坐标愈接近其该主波长的光谱色，是以纯度愈高的待测件，愈适合以主波长描述其颜色特性，LED即是一例。

　　色温（ColorTemperature）

　　一光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体（BlackBodyRadiator）辐射能量分布相同时，其光源色度与此黑体辐射之色度相同，此时光源色度以所对应之绝对温度表之，此温度称之为色温（ColorTemperature），而在各温度下之黑体辐射所呈现之色度可在色度图上标出曲线，称之为蒲朗克轨迹（PlanckianLocus）。标准黑体的温度愈高，其辐射出的光线对人眼产生蓝色刺激愈多，红色刺激成分亦相对减少。然而在实际量测上，无任何光源具有跟黑体相同的辐射能量分布，换言之，待测光源之色度通常并未落在蒲朗克轨迹上。因此计算待测光源之色度坐标所最接近蒲朗克轨迹上某个坐标点，此点之黑体温度即定义为该光源之相关色温（CorrelatedColorTemperature;CCT），通常以CIE1960UCS（u,v）色度图求之，并配合色差△uv加以描述。须注意的是，此种表示方式对光源色度邻近蒲朗克轨迹时方具意义，是以对于LED量测而言，仅适用于白光LED之颜色描述。

        LED发光原理阐述

        发光二极体，通常称为LED.发光二极体只是一个微小的电灯泡。但不像常见的白炽灯泡，发光二极体没有灯丝，而且又不会特别热，它单单是由半导体材料里的电子移动而使它发光。因为发光二极体没有灯丝会烧坏，所以寿命就更长。并且发光二极体的小小塑性灯泡使得发光二极体更持久耐用，再加上LED可以更加容易适合现在的电子电路。传统白炽灯的发光过程包含了产生大量热量，这完全是浪费能源。发光二极体所发出的热非常少，相对来说，越多电能直接发光就是越大程度上减少对电能的需求。

　　光是能量的一种形式，一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但没品质的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子，是光的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。在原子中，电子在原子的四周围以轨道形式移动。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。通常来说，有着更大能量的电子以轨道移动远离了核子。当电子从一个更低的轨道跳到一个更高的轨道，能量水准就增高，反过来，当从更高轨函数跌落到更低的轨函数里时电子就会释放能量。能量是以光子形式释放出来的。更高能量下降释放更高能量的光子，它的特点在于它的高频率。

　　自由电子从P型层通过二极体落入空的电子空穴。这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数，所以电子就是以光子形式释放能量。这在任何二极体里都会发生的，当二极体是由某种物质组成的时候，你只是可以看见光子。在标准硅二极体的原子，比如说，当电子跌落到相对短距离原子是以这样的方式排列。结果，由于电子频率这麽低的情况下人的眼睛是无法看得到的。

　　可见光LED,比如用在数位显示式时钟的，间隙的大小决定了光子的频率，换句话说就是决定了光的色彩。当所有二极体都发出光时，大多数都不是很有效的。在普通二极体里，半导体材料本身吸引大量的光能而结束。发光二极体是由一个塑性灯泡覆盖集中灯光在一个特定方向。

　　半导体零件的价格在过去10年中已经大幅度地降低，相信未来发光二极体在更广泛的应用下，是一个更划算的照明选择。