1、 LED的电流-电压特性图
图1所示为LED工作的电流-电压（I-V）特性图。发光二极管具有与一般半导体三极管相似的输入伏安特性曲线。我们分别对图中所示的各段进行说明。
图1 LED工作的电流-电压特性图
OA段：正向死区
VA为开启LED发光的电压。红色（黄色）LED的开启电压一般为0.2~0.25V,绿色（蓝色）LED的开启电压一般为0.3~0.35V。
AB段：工作区
在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。
OC段：反向死区
发光二极管加反向电压是不发光的（不工作），但有反向电流。这个反向电流通常很小，一般在几μA之内。在1990~1995年，反向电流定为10μA，1995~2000年为5μA；目前一般是在3μA以下，但基本上是0μA。
CD段：反向击穿区
发光二极管的反向电压一般不要超过10V，不得超过15V。超过这个电压，就会出现反向击穿，导致LED报废。
2、 LED的电学指标
对于LED器件，一般常用的电学指标有以下几项：
·正向电压 VF：LED正向电流在20mA时的正向电压。
·正向电流 IF：对于小功率LED，目前全世界一致定为20mA，这是小功率LED的正常工作电流。但目前出现了大功率LED的芯片，所以IF就要根据芯片的规格来确定正向工作电流。
·反向漏电流IR：按LED以前的常规规定，指反向电压在5V时的反向漏电流。如上面所说，随着发光二极管性能的提高，反向漏电流会越来越小，但大功率LED芯片尚未明确规定。
·工作时的耗散功率PD：即正向电流乘以正向电压。
3、 LED的极限参数
对于LED器件，一般常用的极限参数有以下几项：
·允许耗散功率Pmax=IFH×VFH：一般按环境温度为25℃时的额定功率。当环境温度升高，则LED的允许耗散功率将会下降。
·允许工作电流IFM：由允许耗散功率来确定。参考一般的技术手册中给出的工作电流范围，在使用时不要用到工作电流。要根据散热条件来确定，一般只用到电流IFM的60%为好。
·允许正向脉冲电流IFP：一般是由占空比与脉冲重复频率来确定。LED工作于脉冲状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节，例如LED显示屏就是利用这个手段来调节亮度的。
·反向击穿电压VR：一般要求反向电流为指定值的情况下可测试反向电压VR，反向电流一般为5~100μA之间。反向击穿电压通常不能超过20V，在设计电路时，一定要确定加到LED的反向电压不要超过20V。
4、 LED的其他电学参数
在高频电路中使用LED时，还要考虑以下两个因素：
·结电容Cj
·响应时间：上升时间tr，下降时间t f
当LED接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间，否则LED无法正常工作。
LED原理及应用介绍之一2009年02月06日 星期五 17:03一、LED原理、原材料组成及生产工艺
1，LED原理。LED是Light Emitting Diode即发光二极管的缩写，最早于1962年由GE（General Electric Company）研究人员Nick Holonyak Jr.发明。其I-V特性与普通二极管比较类似，所不同的是其内部PN结具有发光特性。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，即PN结。当PN结导通时，两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向PN结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的方式释放出能量，即辐射发光。任何二极管都会有此发光的特性（通常非可见光且发光效率非常低），不同的是发光二极管通过使用特殊的材料、特殊的工艺，使得PN结发光的效率提高，发光的频率一致，从而得到可使用的特定频率的光。通常所说的LED是指能发出可见光的发光二极管。
2，LED组成结构及原材料。以普通直插式LED为例（如仪表上所用的LED指示灯），通常LED由以下几部分组成：支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂外壳等。其中支架主要起导电和支撑LED的作用，不同的LED使用的支架种类也不一样；银胶的作用主要是固定晶片以及导电，晶片是由能发光的半导体材料组成，是LED最核心的部分，晶片基本上决定了整颗LED的特性；金线的作用是连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。环氧树脂的作用：保护LED的内部结构，可稍微改变LED的发光颜色、亮度及角度。如下图：
LED晶片又被称为Ⅲ-Ⅴ族晶片，主要是因为其成份是化学元素周期表上的Ⅲ族Ⅴ族的元素。Ⅲ族元素为P型材料，Ⅴ族元素为N型材料，芯片的材料主要是Ⅲ族，Ⅴ族元素的化合物，如磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝化镓（GaAlAs）氮化镓（GaN）。
另外，对于大功率LED（如LED路灯、LED背光模组等），其内部要复杂一些，因为大的驱动电流必然会产生高的结温，故需要有相应的散热措施来保证LED的正常工作；而且大功率LED所用到的材料及内部结构也与普通LED有相当的差异。
3．LED的生产过程。业界通常把LED的产业链划分为三个层次：上游厂商负责生产单晶片、磊晶片等；中游厂商负责生产将晶片制作成可使用的晶粒；而下游厂商则将晶粒进行封装，生产出完整可用的LED。
晶片的生产，以As晶片为例，其生产过程如下：
因使用者通常是从LED下游厂商买到LED，故LED下游厂商的封装能力、工艺直接影响到LED的品质，LED封装流程如下：
a, 固晶：将银胶点在支架碗内，再将晶片放入碗中，利用银胶将晶片和支架粘在一起，然后放入烤箱将银胶烘烤干。
b,焊线：将固晶好的材料放在焊线机上，将金线焊在晶线上方及第二焊点处，使阴阳极可导。如果焊线不牢，在运输及使用过程中可能导致金线脱落，从而使得LED不能正常发光。
c,封胶：将Epoxy胶充分混合后，灌入模粒中，再将固晶焊线好之支架插入模粒中，一起放入烤箱烘烤，将Epoxy烤干。因LED中的晶片对潮湿非常敏感，所以烘烤过程中一定要保证将湿气完全烘出。烘烤不完全的LED，极有可能在生产现场或用户使用早期就发生故障。
d,离模：将胶焊干之支架从模粒中脱离出来。
e,切单颗：将离模之支架切成一颗一颗的LED成品，至此LED制造完成。
整个生产过程须完全保证ESD、EOS、潮湿、烟尘的防护。
一、LED常见参数
1. 正向工作电流If（Forward Current）
If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED，其允许流过的电流也会不一样，在实际应用中通常选择If=0.6*Ifmax，须留有一定的余量。
2. 正向脉冲工作电流Ifp（Peak Forward Current）
Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED，通常LED规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电流来计算的。
3. 正向工作电压Vf（Forward Voltage）
Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以If=20mA来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也会不一样。
4. V-I特性（V-I curve）
LED通过的电压与电流的关系曲线。LED的V-I特性与普通二极管类似，在正向电压小于阈值时，正向电流极小，LED不发光；当电压超过阈值，正向电流就会迅速增加，相比普通二极管，LED的V-I曲线要陡一些。
5. 反向电压Vr（Reverse Voltage ）
是指LED所能承受的反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。在使用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。
6. 反向电流Ir（Reverse Current）
通常指在反向电压情况下，流过LED的反向电流。
7. 允许功耗Pdm（Maximum Power Dissipation）
LED所能承受的功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED。
8. 工作温度Topr（Operating Temperature）
LED能正常工作的温度范围。使用者要注意根据使用环境的不同来选用不同工作温度的LED。
9. 发光强度Iv（Luminous Intensity ）
LED的发光强度通常是指法线方向（对柱形LED是指其轴线方向）的发光强度。若在该方向上的发光强度为(1/683)W/sr时，则发光强度为1坎德拉(cd)。由于LED发光强度一般较小，故常用单位为烛光(mcd)。
10. 半值角θ1/2（Half Angle）
LED的发光强度会随着角度的偏离而减弱。当光强减弱到法线方向的一半时，此方向与法线的夹角即为半值角。通常半值角是对称的。
11. 视角（Viewing Angle）
通常视角定义为2θ1/2。
12. 中心波长λp（Peak Wave Length）
是指LED所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色LED，会有几个不同的中心波长值。
13. 半值波长Δλ（Spectral Line Half-width）
因LED所发光的光并非只有单一波长，而是一个波段。当特定波长的光强度为中心波长光强度一半时，其相差的波长区间即为Δλ。
一、LED应用
1. 驱动电路
普通的小功率LED通常用作状态指示。对于LED而言，长时间的直流偏压，会影响LED的寿命和性能，所以通常应采用脉冲驱动的方式来供电。但从DSP或MCU出来的信号电流通常很微弱，难以驱动LED发光，所以通常要放大电路，将信号放大后来驱动LED发光。对于不同的LED，工作电流及正向压降会有所不同，电路中所选取的器件也要相应改变。如下：
对于大功率LED，驱动电路要复杂一些。如照明LED，需要采用特定的供电电路来给LED供电，同时需要相应的ESD及EOS防护措施。而诸如LED发光模组，则需要相应的驱动芯片来产生驱动信号，再经由放大电路送入LED，使之发光。
2. 使用环境
LED是湿敏及静电敏感元器件，包装、运输及使用过程中都须注意防潮及防静电。如贴片式LED须要求用防静电真空袋包装，拆封后尽快使用。温度对LED也有很大的温度，通常随着温度的升高，LED所能承受的正向电流值会逐步下降，所以在选取LED时，要注意产品的工作环境温度，留出足够的余量。
3. 选型
首先要确定所要选用的LED发光颜色及亮度。对颜色要求比较严格的应有相应的颜色测试，不同厂商出产的同色LED虽然中心波长相近，但由于制造工艺、封装外壳材质等的影响，颜色上可能会呈现一些小的差异。不同颜色的LED，对亮度的要求也不一样。如红色LED，达到一定亮度后，色泽可能已经饱和，再增加亮度已无必要；而绿色LED，则很少会有饱和的问题。
其次是确定工作电压/电流/功率等电气参数。电气特性直接影响到应用电路，电路所提供的工作电流/功率/使用温度，都应留有一定的余量，应尽量采用脉冲方式驱动。对于可视角要求比较高的应用场合，应选用可视角较大的LED。
二、LED产业发展历程及相关企业背景
LED所用半导体材料实际在20世纪初就被发现，但实际可用的LED最早是由GE公司研究人员Nick Holonyak Jr.( 尼克?何伦亚克)于1962年发明，当时所用的材料为GaAsP，发红光（λp=650nm）。到20世纪70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm）。到1996年，日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED，LED光谱得以健全，此后LED产业步入高速发展的轨道。
发展到现在，LED已不单局限在小功率指示和照明范围内，随着技术水平的提高，以其节能环保长寿命发光效率高的特性，在家用照明、汽车尾灯、路灯、灯饰、背光模组、多媒体显示等领域都有高速的发展。
前面也有提到，按照LED的构成及生产环节，通常将LED产业链划分为上、中、下游三部分。上游产品主要为单晶片；中游产品主要为晶粒；下流产品即为封装好的LED。
目前上游晶片主要为欧美日企业所掌控，如美国Cree、Lumileds、GelCore，日本Nichia、ToyodaGosei，德国Osram。韩国及台湾厂商主要在中低端晶片部分进行竞争。
日美这些企业几乎掌握了上游产业大部分的专利技术，代表了整个LED产业的水平。日亚化学(Nichia)和丰田合成(ToyodaGosei)在LED发展中占有重要地位，都形成了LED完整的产业链，其中日亚化学1994年个生产出蓝光芯片，并在专利技术方面具有垄断优势；Cree、GelCore等都有自己成熟的技术体系，但其在产业链上只集中在外延和芯片的制备上；Lumileds则关注于大功率LED的研发，在白光照明领域实力雄厚。
上、中游产业部分，日本企业几乎占据了全球LED产能的一半。除此之外，韩国及台湾地区的企业也有相当的实力。如Samsung、晶电、杰圆、元砷、光磊等厂商。
而下游产业，特别是小功率LED，台湾地区封装产量，占到世界的60%以上，并且还在不断增长之中。其中代表性的企业有：亿光、佰鸿、华兴等。
1. 驱动电路
普通的小功率LED通常用作状态指示。对于LED而言，长时间的直流偏压，会影响LED的寿命和性能，所以通常应采用脉冲驱动的方式来供电。但从DSP或MCU出来的信号电流通常很微弱，难以驱动LED发光，所以通常要放大电路，将信号放大后来驱动LED发光。对于不同的LED，工作电流及正向压降会有所不同，电路中所选取的器件也要相应改变。如下：
对于大功率LED，驱动电路要复杂一些。如照明LED，需要采用特定的供电电路来给LED供电，同时需要相应的ESD及EOS防护措施。而诸如LED发光模组，则需要相应的驱动芯片来产生驱动信号，再经由放大电路送入LED，使之发光。
2. 使用环境
LED是湿敏及静电敏感元器件，包装、运输及使用过程中都须注意防潮及防静电。如贴片式LED须要求用防静电真空袋包装，拆封后尽快使用。温度对LED也有很大的温度，通常随着温度的升高，LED所能承受的正向电流值会逐步下降，所以在选取LED时，要注意产品的工作环境温度，留出足够的余量。
3. 选型
首先要确定所要选用的LED发光颜色及亮度。对颜色要求比较严格的应有相应的颜色测试，不同厂商出产的同色LED虽然中心波长相近，但由于制造工艺、封装外壳材质等的影响，颜色上可能会呈现一些小的差异。不同颜色的LED，对亮度的要求也不一样。如红色LED，达到一定亮度后，色泽可能已经饱和，再增加亮度已无必要；而绿色LED，则很少会有饱和的问题。
其次是确定工作电压/电流/功率等电气参数。电气特性直接影响到应用电路，电路所提供的工作电流/功率/使用温度，都应留有一定的余量，应尽量采用脉冲方式驱动。对于可视角要求比较高的应用场合，应选用可视角较大的LED。
二、LED产业发展历程及相关企业背景
LED所用半导体材料实际在20世纪初就被发现，但实际可用的LED最早是由GE公司研究人员Nick Holonyak Jr.( 尼克?何伦亚克)于1962年发明，当时所用的材料为GaAsP，发红光（λp=650nm）。到20世纪70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm）。到1996年，日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED，LED光谱得以健全，此后LED产业步入高速发展的轨道。
发展到现在，LED已不单局限在小功率指示和照明范围内，随着技术水平的提高，以其节能环保长寿命发光效率高的特性，在家用照明、汽车尾灯、路灯、灯饰、背光模组、多媒体显示等领域都有高速的发展。
前面也有提到，按照LED的构成及生产环节，通常将LED产业链划分为上、中、下游三部分。上游产品主要为单晶片；中游产品主要为晶粒；下流产品即为封装好的LED。
目前上游晶片主要为欧美日企业所掌控，如美国Cree、Lumileds、GelCore，日本Nichia、ToyodaGosei，德国Osram。韩国及台湾厂商主要在中低端晶片部分进行竞争。
日美这些企业几乎掌握了上游产业大部分的专利技术，代表了整个LED产业的水平。日亚化学(Nichia)和丰田合成(ToyodaGosei)在LED发展中占有重要地位，都形成了LED完整的产业链，其中日亚化学1994年个生产出蓝光芯片，并在专利技术方面具有垄断优势；Cree、GelCore等都有自己成熟的技术体系，但其在产业链上只集中在外延和芯片的制备上；Lumileds则关注于大功率LED的研发，在白光照明领域实力雄厚。
上、中游产业部分，日本企业几乎占据了全球LED产能的一半。除此之外，韩国及台湾地区的企业也有相当的实力。如Samsung、晶电、杰圆、元砷、光磊等厂商。
而下游产业，特别是小功率LED，台湾地区封装产量，占到世界的60%以上，并且还在不断增长之中。其中代表性的企业有：亿光、佰鸿、华兴等。
LED是Light Emitting Diode 的缩写，中文译为“发光二极管”，是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，还有在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED。
LED的色彩与工艺：制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。历史上个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga) ,发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga)，发出的光线为绿光。
由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。而GaN（氮化镓）的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。而目前的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素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，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。
1L（流明）指1 CD烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。
1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。
一般主动发光体采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采用光通量单位流明L，如LCD投影机等；而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。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，其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸（1平方米），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1厘米，出光口面积为1平方厘米，则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50％的效率就很好了。
实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于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，得到整个屏体的在视角上的发光强度，假设屏体中每个像素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显示屏须达到4000CD／平方米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，亮度在700～2000 CD／平方米左右。
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的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，视角上及中心位置上发光强度的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大，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布比较均匀。在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。
一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，亮度衰减周期与LED生产的材料工艺及生产厂商有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的日亚等国际品牌。
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红绿蓝三色的色品坐标因工艺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显示屏进行配色前，为了达到亮度和的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成像素。
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：
原色指能合成各种颜色的基本颜色。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，则可合成颜色的区域会减小，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，因为绿色占据了白色中69％的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时，绿色是着重考虑的对象。
LED照明术语：
波长：光的色彩强弱是可以通过数据来描述，这种数据叫波长。能见到的光的波长，范围在380至780nm之间。单位：纳米（nm）
亮度：亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：尼特（nit）
光强：指光源的明亮程度。也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。单位：烛光（cd）
光通量：光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位：流明（Lm）
光效：光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标。单位：每瓦流明（Lm/w）。
显色性：光源对物体呈现的程度，也就是颜色的逼真程度。通常叫做"显色指数"。单位：Ra。
色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。单位：开尔文（k）。
眩光：视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。
同步性：两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的同步方式运行，同步性是LED灯实现协调变化的基本要求。
防护等级：IP防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之特性加以分级，由两个数字所组成，个数字代表灯具防尘、防止外物侵人的等级（分0-6级），第二个数字代表灯具防湿气、防水侵人的密封程度（分0-8级），数字越大表示其防护等级越高。