LED是如何产生有色光的

April 15, 2019

LED的发光顏色和发光效率与製作LED的材料和製程有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由於LED工作电压低（仅1.5-3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时）。製造LED的材料不同，可以產生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或顏色。

史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化鎵(Ga) ，其正向PN结压降(VF，可以理解为点亮或工作电压)为1.424V，发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化鎵(Ga)，其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。

基於这两种材料，早期 LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构，理论上可以生產从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通过 PN结压降可以确定LED的波长顏色。其中典型的有GaAs0.6P0.4 的红光LED，GaAs0.35P0.65的橙光LED，GaAs0.14P0.86的黄光 LED等。由於製造採用了鎵、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。

而GaN（氮化鎵）的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。而目前最新的製程是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、銦(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料製造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。

发光强度：发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司Lux）、光通量单位（流明Lumen）、发光强度单位（烛光　Candle power） 1CD（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方公分面积的发光强度。（以前指直径为2.2公分，品质为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5公分，沿水準方向的发光强度） 1L（流明）指1 CD烛光照射在距离为1公分，面积为1平方公分的平面上的光通量。

1Lux （勒克司）指1L的光通量均匀地分佈在1平方公尺面积上的照度。一般主动发光体採用发光强度单位烛光　CD，如白炽灯、LED等；反射或穿透型的物体採用光通量单位流明L，如LCD投影机等；而照度单位勒克司Lux，一般用於摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。比如：如果说一部LCD投影机的亮度（光通量）为1600流明，其投影到全反射萤幕的尺寸为60英寸（1平方公尺），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1公分，出光口面积为1平方公分，则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由於光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分佈不均匀，亮度将大打折扣，一般有50％的效率就很好了。

实际使用中，光强计算常常採用比较容易测绘的资料单位或变向使用。对於LED萤幕这种主动发光体一般採用CD／平方公尺作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效於屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个图元的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED萤幕须达到4000CD／平方公尺以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED，最大亮度在700～2000 CD／平方公尺左右。

单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关係。单管的发光强度从几个mCD到5000mCD不等。LED生產厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED晶片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分佈。一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分佈比较均匀。

在计算萤幕发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。一般LED的发光寿命很长，生產厂家一般都标明为100，000小时以上，实际还应注意 LED的亮度衰减週期，如大部分用於汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。

亮度衰减週期与LED生產的材料製程有很大关係，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。配色、白平衡：白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品座标因製程过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。当为全彩色LED萤幕进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应儘量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成图素。

白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。原色、基色：原色指能合成各种顏色的基本顏色。色光中的原色为红、绿、蓝，下图为光谱表，表中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差，则可合成顏色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰富程度减少。

LED发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要，因为绿色佔据了白色中69％的亮度，且处於色彩横向排列表的中心。因此在权衡顏色的纯度和价格两者之间的三基色组成方式，在三基色设计应用中通常是，通过调节设定LED电流来达到白平衡和最大的期望亮度值。

9888拉斯维加斯官方网站一般将最简单、最优化的配色方式作为，设计全彩显示技术的顏色再现方法。白平衡是检验顏色组成的重要标誌之一。三基色白光一般是红绿蓝三基色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21%，蓝色的亮度为10%时，混色后人眼感觉到的是纯白色。早前的CRT电视机到现在的LCD液晶显示都是这样组成的。

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