分享干货 LED知识点看这完这篇就够了

    做LED这个行业这么久了，很多技术与术语我们都会觉得理所当然，很容易理解，但是细细想又很难系统性地道出个所以然，所以这次我试着来写一篇LED的基本科普文章，希望对想了解LED的人有所帮助，或者就权当是知识的巩固了，看到最后会发现，活用这些基本知识，会比想象中更简单。

    发光二极管(LED：Light Emitting Diode)原理介绍

发光二极管的构造

    发光二极管(LED)都是使用「化合物半导体」制作，二种以上的元素键结形成的半导体，称为「化合物半导体」。例如：砷化镓(GaAs)属于三五族化合物半导体(3A族的镓与5A族的砷)、硒化镉(CdSe)属于二六族化合物半导体(2A族的镉与6A族的硒)等固体材料， 化合物半导体的发光效率极佳，因此我们大多利用它来制作发光组件，例如：砷化镓(GaAs)是属于「直接能隙(Direct band gap)」，所以砷化镓晶圆所制作的组件会发光，一般都用来制作发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等发光组件。

    发光二极管(LED)的构造如图一(a)所示，直插的灯珠外观呈椭圆形，尺寸与一颗绿豆差不多，但是真正发光的部分只有图中的「芯片(chip)」而已，芯片的尺寸与海边的一粒砂子差不多，这么小的一个芯片就可以发出很强的光，由于发光二极管的芯片很小，所以一片2吋的砷化镓晶圆就可以制作数万个芯片，切割以后再封装，形成如图一(a)的外观，发光二极管的制程与硅晶圆的制程相似，都是利用光刻微影、掺杂技术、蚀刻技术、薄膜成长制作而成。

▲图一： 发光二极管(LED)的构造与工作原理

    发光二极管的基本原理

    如果我们将二极管的芯片放大，如图一(b)的氮化镓发光二极管所示，有金属电极，中间有N型与P型的氮化镓与电极，当发光二极管与电池连接时，电子由电池的负极流入N型半导体，空穴由电池的正极流入P型半导体，电子与空穴在P型与N型的接面处结合，并且由芯片的上方发光，经过椭圆形的塑料封装外壳，由于椭圆形的塑料封装外壳类似凸透镜，具有聚光的效果，可以使发出来的光线「比较集中」。

    值得注意的是，真正能够使发出来的光线集中成一束射出的半导体元器件只有「激光二极管(LD)」，要让光线集中成一束必须要有「谐振腔(Cavity)」的结构才行，关于激光，我以后会做详细介绍。

    发光二极管的颜色

    当我们对不同的化合物半导体材料施加电压时，会使化合物半导体发出「不同颜色的光」，科学家们利用这种原理可以制作出不同颜色的发光组件，如表一所示，简单说明如下：

▲表一：发光二极管(LED)材料的种类与发光颜色的关系

    外延方法：是指成长化合物半导体的方法，「液相外延(LPE：Liquid Phase Epitaxy)」是使用加热法使化合物半导体熔化为液体，再缓慢冷却形成固体单晶结构；「有机金属化学气相沉积(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)」，是使用有机金属与气体，直接喷在砷化镓晶圆上形成单晶薄膜(外延)。

    发光颜色：是指肉眼观察发光二极管所放射出来的颜色。

    碳化硅(SiC)：发光颜色为「蓝绿色」，由于早期并没有可以放射出蓝光的发光二极管，所以大多使用碳化硅(SiC)做为蓝光二极管，但是碳化硅放射出来的颜色并不是真正的蓝色，而且器件的寿命不长(亮度会逐渐变弱)，而可以在户外播放真实影像的显示屏必须使用红、绿、蓝三原色组合而成，早期的显示屏没有蓝色(因为没有蓝光的发光二极管)，所以只能播放单色显示屏(显示文字或简单的图形)，而不能播放真实的影像。

    氮化镓(GaN)：

    一直到1995年，日本日亚化学公司中村修二博士团队才发展出「氮化镓(GaN)」发光二极管，可以放射出蓝光，而且器件的寿命很长，但是氮化镓和砷化镓的原子大小相差很多(晶格不匹配)，因此不能够成长在「砷化镓衬底」上，必须成长在「蓝宝石衬底(氧化铝单晶)」上。

    由于当初蓝宝石晶衬底价格很高，硬度又高不易加工，因此成本较高，再加上许多相关的专利都掌握在日本日亚化学公司手中，专利授权金造成蓝光二极管的售价很高，所以早期蓝光LED价格居高不下，随着台湾与大陆对这个技术的投入，目前蓝光LED价格已经非常平价，大量使用于照明与显示产品。

    二六族「二元素」化合物半导体：包括硒化镉(CdSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化镉(CdS)、硒化锌(ZnSe)、硒化锌(ZnS)等的发光二极管(单晶固体)由于器件的寿命不长，因此目前较少使用，但是这些材料的「多晶粉末」我们俗称为「荧光粉」，目前广泛地使用在传统电子映像管显示器、等离子显示器、白光发光二极管等产品。除了二六族化合物半导体，科学家也陆续开发出许多不同成分的荧光粉，来增加发光亮度与使用寿命。

    发光二极管的中心波长

    「中心波长」是指发光二极管所放射出来的颜色相对的发光波长，由于不同颜色的光波长不同，所以发光二极管放射出不同的颜色就会有相对的发光波长。以「磷化铝(AlP)」发光二极管为例，肉眼看到的颜色是「绿色」，但是其发光光谱如图二所示，由图中可以看出，磷化铝(AlP)发光二极管放射光的颜色由0.45μm(蓝绿色)~0.55μm(黄绿色)都有，所以并不是真正的绿色，而是许多波长混合起来的颜色，但是其中心波长5.0μm(绿色)的光强度最高，所以肉眼看到的颜色是「绿色」，发光强度最强的波长称为「中心波长」，换句话说，只要知道发光二极管放射光的中心波长，就知道肉眼看起来是什么颜色了。

    发光二极管放射出来的光谱具有一个波长范围(0.45μm~0.55μm)的情形我们称为「光不纯」，我们也可以使用半波宽值（Full Width Half Maximum）来衡量光的纯度，真正可以放射出「光很纯」的组件称为「激光(Laser)」。

▲图二 磷化铝(AlP)发光二极管的发光光谱

    发光二极管的种类

    如果以芯片结构来分类，可以分为正装芯片，倒装芯片与垂直结构芯片。如图三（a）所示，正负（PN）电极在同一发光面的结构，称为正装结构，由于找不到氮化镓材料合适的导电衬底，所以在蓝光成功研发与产业化成功之后，蓝宝石一直是这个结构最重要的衬底材料，由于衬底材料不导电，所以一般蓝光绿光与紫光的氮化镓LED都是这个结构。

    最早的红黄光LED结构由于是使用可以导电的砷化镓与磷化镓衬底，所以都做成单电极的垂直结构，这个结构是最早的LED结构，由于光与电流的均匀性好，指向性强，所以后来蓝光LED在特殊应用的灯具上也开始使用垂直结构LED，但是由于氮化镓材料的垂直结构LED工艺比较复杂，难度较大，需要将蓝宝石衬底剥离或是需要直接将氮化镓直接成长在导电的硅或金属衬底上，所以良率比较难控制，所以这种结构的蓝光绿光或紫光的LED应用比较特殊，例如手机闪光灯，指向性强的手电筒，汽车灯与UV固化灯，除了应用光型需要外，成本高只能用在高端也是重要原因。

    倒装结构如图三（c）所示，与正装结构类似，都是蓝宝石衬底材料，但是需要将发光面镀上反射电极，然后倒装贴合在其他的基板，倒装芯片由背面发光，正负PN电极面反射光线，由于传热路径短与传热材料比蓝宝石优越，所以倒装结构可以有优越的热稳定性，可以比正装芯片驱动更高的电流而不衰减。

▲图三： LED芯片结构分类图

    如图四所示，如果以封装形式来分类，LED可以分类为直插型（lamp）图四（a），大功率流明型（High Power lumileds luxeon Type）图四（b），贴片型（SMD）图四（c），与COB（chip on board）图四（d）。

    直插lamp是最早的封装形式，但是由于散热较差，所以目前越来越少使用，只有在装饰灯与红外指示灯方面用的比较多。大功率封装以前在户外路灯方面有大量使用，但是随着SMD与COB的兴起，目前也渐渐趋于沉寂。

    由于中国大陆设备技术的快速发展，加上通用照明和大尺寸背光的兴起，SMD已经是最主流的封装技术，其方法是将LED芯片安装在基体上以构成离散式的LED组件，接着再将这些LED组件安排在印刷电路板(PCB)上形成多重LED光源组合以提升照明度。

    由于在光型与散热方面的优点，COB封装技术带来每单位区域LED光源封装设计上更加精简或照明度更高的输出，低热阻以及正确的封装材料选择带来令人惊艳的光输出以及更长的寿命，所以COB LED封装不仅拥有比传统离散式LED组件封装更佳的效能，还能够简化温度管理来简化系统级的设计，可以说是帮助LED符合照明市场需求的理想解决方案，是可以与SMD争雄的LED封装新技术。

▲图四 LED封装形式分类图

    光的三原色(Three primary colors)

三原色的定义

    可见光有无限多种颜色，那么制作显示器时要如何显示这么多种颜色呢？幸好科学家们发现，可见光虽然有无限多种颜色，但是只要以红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色「不同亮度」即可组合成连续光谱中几乎所有可见光的颜色，因此我们称红(R)、绿(G)、蓝(B)三色为「光的三原色」， 为什么RGB三种颜色只能组合成「几乎所有」可见光的颜色，而不能组合成「所有」可见光的颜色呢？这个部分与色彩学有关，在此不再详细讨论。

    本章节以下面几个例子说明如何组合不同亮度的RGB三种颜色来形成几乎所有可见光的颜色。假设有一个方格用来显示某一种颜色，这样的方格称为「像素(pixel)」，我们将这个方格垂直切割成三个小方格，分别代表RGB三种颜色，这样的小方格称为「次像素(sub-pixel)」，如图五所示。

    当红色亮度100%(全亮)、绿色亮度100%(全亮)、蓝色亮度100%(全亮)则我们的视觉会感受到三种颜色混合成白色，如图五(a)所示，大家可以自行目视图无(a)，结果会发现不论怎么看都是三种颜色呀！怎么会混合成白色呢？要让我们的视觉感受到RGB三种颜色混合成一种颜色有两种方法：

    让观察者距离较远来观看：一种方法是像素的大小不变，但是观察者后退到十公尺以外再看，由于大部分的人都有近视(这一点很重要)，此时眼睛根本无法分辨RGB三个「次像素」，只能隐约看成一个「像素」，而RGB三种颜色自然也会被隐约混合成一种颜色了。「发光二极管的显示屏」，它显示的RGB三个次像素都很大，但是观察者在距离数十公尺以外观看，无法分辨RGB三个次像素，所以RGB三种颜色自然也会被隐约混合成一种颜色。

    将像素缩小到数百微米：另外一种方法是将像素缩小到数百微米(大约与头发的直径大小相同)，此时RGB三个次像素也非常微小，这么小的次像素不论观察者靠多近观看，眼睛都不容易分辨RGB三个「次像素」，只能隐约看成一个「像素」，而RGB三种颜色自然也会被隐约混合成一种颜色了。大家所使用的笔记本电脑显示器称为「液晶显示器(LCD)」，它显示的RGB三个次像素都很小，虽然观察者在距离数十公分以内观看，仍然无法分辨RGB三个次像素，所以RGB三种颜色自然也会被隐约混合成一种颜色。

▲图五 红(R)、绿(G)、蓝(B)三个次像素组合成连续光谱中几乎所有的颜色

    三原色混合

    我们可以将RGB三个次像素可能混合成的颜色举例如下：

    1.红色亮度100%(全亮)、绿色亮度100%(全亮)、蓝色亮度100%(全亮)大约混合成白色，如图五(a)所示。

    2.红色亮度100%(全亮)、绿色亮度100%(全亮)、蓝色亮度0%(全暗)大约混合成黄色，如图五(b)所示。

    3.红色亮度100%(全亮)、绿色亮度50%(亮一半)、蓝色亮度0%(全暗)大约混合成橙色，如图五(c)所示。

    4.红色亮度0%(全暗)、绿色亮度100%(全亮)、蓝色亮度100%(全亮)大约混合成蓝绿色，如图五(d)所示。

    5.红色亮度100%(全亮)、绿色亮度0%(全暗)、蓝色亮度100%(全亮)大约混合成紫色，如图五(e)所示。

    6.红色亮度0%(全暗)、绿色亮度0%(全暗)、蓝色亮度0%(全暗)则会混合成黑色，如图五(f)所示。

    如果我们可以分别控制RGB三个次画素的亮度为100%(全亮)、75%、50%、25%、0%(全暗)等五种，则这个画素总共可以显示5种不同亮度的红色(R)、5种不同亮度的绿色(G)、5种不同亮度的蓝色(B)，故总共可以显示5×5×5=125种颜色。

    如果我们可以分别控制愈多不同亮度的RGB，则总共可以显示的颜色愈多，但是技术也愈困难。我们常见的六角形调色盘如图五(g)所示，图中列出数十种由RGB三个次像素不同亮度混合而成的颜色，右下角为红色(R)，左方为绿色(G)，右上角为蓝色(B)，三种颜色全亮则混合成白色在六角形的正中央。

视觉色彩学的定义

    视觉色彩学主要是在讨论人类的视觉感受与色彩的关系，由于显示器与多媒体都与人类的视觉息息相关，因此必须先对人类的视觉做简单的介绍，才能了解各种显示器设计的原理，我们先来了解一下人类的眼睛看到不同颜色或影像，会有什么不同的反应吧！

    人类的视觉感受

    人类的视觉神经对光的亮度感受程度与光的颜色有关，在白天或明亮处，人类的视觉神经对「黄绿色」最敏感，如图六所示，在明亮处人类视觉感受为「粗线」，其最高点大约在「黄绿色」；在夜晚或黑暗处，人类的视觉神经对「绿色」最敏感，如图六所示，在黑暗处人类视觉感受为「细线」，其最高点大约在「绿色」。

    因此，雨衣一般以黄色或绿色制作，穿着在明亮处但是视线不良的下雨天行走较明显而安全；而会议简报通常在室内黑暗处进行，故以红光激光二极管(LD)来指示较不清楚，目前许多厂商开发出绿光激光二极管的产品，使会议简报指示更清楚。

▲图六 人类的视觉神经与颜色的关系

    闪烁与刺眼(Flicker & Glare)

    画面(Frame)

    指显示器所显示的一幅静态的图形，由于人类的眼睛有视觉暂留的现象，如果在很短的时间内连续播放一连串的画面，人类的大脑会以为这一连串的画面是连续的，这就是我们所谓的电影或动画。

    要评量一个显示器或影片质量好坏非常重要一个参数是「每秒钟(sec)所播放的画面(Frame)数目」，又称为「每秒画面数目(fps：frame per sec)」，通常显示器1秒钟播放30个画面(30fps)大概就已经超过人类的眼睛所能分辨的极限了，换句话说，显示器1秒钟播放超过30个画面其实是没有什么意义的。

    一般的电视或电影每秒画面数目大约为30fps；目前迪斯尼的立体动画，例如：玩具总动员(Toy Story)、怪兽电力公司(Monsters Inc.)等是使用计算机所绘制的立体画面，其每秒画面数目可以达到20fps以上，所以动作看起来很连续；早期迪斯尼的平面卡通，例如：米老鼠与唐老鸭、大力水手等，大多是由动画师以人工的方式绘制，其每秒画面数目大约只有10fps，因此动作看起来不太连续。

    闪烁(Flicker)

    指当每秒画面数目太少时，前后画面的切换时间太长而使人类的眼睛产生一明一暗的视觉感受。由于人类的眼睛有视觉暂留的现象，如果前后放映的画面切换较快，则眼睛不会感受到闪烁，如果切换较慢，则眼睛会感受到忽明忽暗的现象，这就是画面产生闪烁的原因。

    画面闪烁的程度会与画面的亮度及眼睛观看画面的角度有关，当画面闪烁速率愈高，眼睛会感觉画面的亮度愈亮，眼睛观看画面的角度不同，感受到的画面闪烁程度也会不同，但是影响比较小。「刺眼」是指画面的亮度或照度比太大时，使眼睛有不舒服的感觉，而对画面产生心理排斥的现象。

    亮度的单位(The unit of brightness)

    瓦特(Watt)

    光的亮度有许多不同的单位，在学习光电科技之前必须先了解，才能明白各种光电科技产品所描述的亮度是代表什么意义。「瓦特(Watt)」的定义为光源单位时间产生多少能量，即光源单位时间产生多少焦耳，其单位为「W」，是最常见的亮度单位。

流明(lm：Lumen)

    「流明(Lumen)」是眼睛实际感受到光源的亮度，单位为「lm」。瓦特是光源产生多少能量，但是人类的视觉神经对不同颜色的光感受程度不同，因此光源同样发出1瓦特的光，在白天时，若是绿光则人类的眼睛会觉得比较亮，若是红光或蓝光则人类的眼睛会觉得比较暗，因此国际照明协会(CIE：International Commission on Illumination)定义在白天时，若光源实际产生的能量为1瓦特，则：

    波长0.63μm的红光：1瓦特(W)=181流明(lm)；

    波长0.555μm的绿光：1瓦特(W)=683流明(lm)；

    波长0.47μm的蓝光：1瓦特(W)=62流明(lm)。

    换句话说，光源同样发出1瓦特(W)的光，人类的眼睛看起来，绿光的亮度有683流明(lm)，红光只有181流明(lm)，蓝光只有62流明(lm)，显然在白天人类的眼睛对绿光的感受程度最大，对红光的感受程度次之，对蓝光的感受程度最小。

    烛光(cd：Candela)

    「烛光(Candela)」的定义为单位立体角(以弪度计算，Ω=180°)眼睛实际感受到光源的亮度有多少流明(lm)，即每「单位弪度(Ω)」眼睛实际感受到多少「流明(lm)」，单位为「cd」。

    要正确地描述一个点光源实际的亮度，应该将角度的因素考虑进去，由于点光源呈放射状向四面八方照射并不是平面上的角度，因此将这种放射角度称为「立体角」，必须经由积分计算整个立体球面的角度总共为4Ω弪度(大约4×3.14=12.56弪度)，故1烛光的点光源(代表每1弪度发出1流明的光)，如果接收的角度为整个立体球面(12.56弪度)，则其亮度为12.56流明，如果接收角度只有半个立体球面(6.28弪度)，则其亮度为6.28流明。

    照度(Lux：Illumination)

    「照度(Illumination)」的定义为单位面积，眼睛实际感受到光源的亮度有多少流明(lm)，即每「平方公尺(m2)」眼睛实际感受到多少「流明(lm)」，单位为「lux」。

辉度(Luminance)

    「辉度(Luminance)」的定义为单位面积，眼睛实际感受到光源的亮度有多少烛光(cd)，即每「平方公尺(m2)」眼睛实际感受到多少「烛光(cd)」，单位为「cd/m2」；也可以说是每「平方公尺(m2)」、每「单位弪度(Ω)」，眼睛实际感受到多少「流明(lm)」。

亮度与闪烁(Brightness & Flicker)

▲图七 亮度对比好与对比差的两张图片比较

    亮度与对比(Brightness & Contrast)

    由图七所表现的两张图片的比较，亮度与对比是设计显示器时重要的参数，人类眼睛的视觉会随着物体与背景之间亮度的差异而有不同的感受，这种亮度的差异称为「对比(Contrast)」。对比的定义为画面中亮区域(BMax)与暗区域(Bmin)的亮度差异除以亮区域(BMax)与暗区域(Bmin)的亮度平均值：

    对显示器的应用来说，更常用来衡量对比性质好坏的方式是使用「照度比(Contrast ratio)」，照度比的定义为画面中亮区域(BMax)与暗区域(Bmin)的亮度比值：

    人类的眼睛要看见画面的图形照度比必须大于1.03，一般显示器的照度比大约在20左右，而最小照度比必须大于5才能清楚地辨识画面中的物体。

    我对LED科技的看法

    LED是一门半导体物理，光学，材料学与色彩学的综合学科与技术，早期的技术开发感觉人的因素很重要，技术进步就是工程师调试配方（他们叫recipe）与试错再优化的过程，尤其是在外延的部分，理论不是很深奥，但是结构优化的过程是技术人员最宝贵的经验与公司最重要的技术资产，能够驾驭设备做出高亮度芯片的人就是掌握公司命脉的决定者。

    但是随着标准化设备的导入，规模化与模块化的产业过程，技术不再是深不可测，工艺优化，设备优化变成主旋律，未来，掌握了LED基本知识，活用这些知识之后，你就会了解，高深的科技理论不过就是我所推广的简单道理。

    所谓大道至简是也！

    （本文作者：广东德力光电副总经理叶国光）