摘要：LED是英文light emitting diode的縮寫，即：光線激發二極管，屬于一種半導體元器件。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。
LED照明技術的原理
LED是英文light emitting diode的縮寫，即：光線激發二極管，屬于一種半導體元器件。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態時(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。打個比方，LED就像一個漢堡，可以發光的材料是夾層中的“肉餅”，而上下的電極就是夾肉的面包。而通過對其中發光材料的研究，人們逐漸開發出各種光色、光效率越來越高的LED元件，但是無論怎么變化，LED總的發光原理和結構都沒有發生太大的變化。
LED光源的優點
紅光LED 白光LED統光源，因此自60年代誕生以來，得到了長足的發展和應用。而相對于白熾燈、熒光燈等老一代發光設備，LED的優點主要體現在以下幾個方面：1.LED在結構上沒有玻璃外殼，不需要想白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內抽真空或者沖入特定氣體，因此抗震、抗沖擊性良好，給生產、運輸、使用各個環節帶來便利。
作為一種出現時間最晚的照明技術，LED的優點不僅體現在發光質量方面，在其生產、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳
2.LED元件的體積可以做的非常小，更加便于各種設備的布置和設計。
3.LED的發出的光線能量集中度很高，集中在較小的波長窗口內，純度高。
4.LED元件的壽命非常長，普遍在5萬-10萬小時之間，即使是頻繁的開關，也不會影響到使用壽命。
5.LED響應時間非常快，在微秒級別。
6.LED的發光指向性非常強，亮度衰減比傳統光源低很多。
7.LED在生產過程中不要添加“汞”，非常環保。
8.LED使用低壓直流電即可驅動，對使用環境要求較低。
LED發光設備的這些優點，不僅為其在日常照明領域的廣泛應用奠定了堅實基礎，也為LED進入顯示設備領域打造了一條充滿希望的道路。
不過，LED并不是從一開始就擁有如此之多的優勢，也是經過了一段較長時間的發展，下面我們就去看看LED從誕生到現在所經歷過的發展變遷之路。
LED照明技術的發展歷程
在LED剛剛出現的時候，其發光的顏色和效率都比較低。當時主要使用的發光材料是“GaAsP”，驅動電流在20mA，只能發出紅色的光，而且發光效率只有0.1流明/瓦，因此亮度僅僅能夠滿足一些儀表、電器上的指示之用，并沒有得到廣泛的使用和注意。
而在隨后的幾十年里，一些新的發光材料被逐步引入到LED當中，LED逐漸開始顯露出強勁的發展后勁。在70年代中期，通過引入元素In和N，使得LED可以發出波長為555納米的綠光、波長為590納米的黃光和波長為610納米的橙光，同時發光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初，又出現了使用GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。而進入90年代后，能發出紅光、黃光的GaAlInP和發出綠光、藍光的GaInN兩種新材料的開發成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙色光區域(波長615納米左右)的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區域(波長為530納米)的光效也可以達到50流明/瓦。不僅超過了傳統的白熾燈，而且和發光效率較高的熒光燈已經非常接近。而按照材料科學的發展速度，發光效率能達到200流明/瓦的LED也將在較快的時間內問世。
而在LED發光技術的發展史上，白光型LED的出現，則成為LED進入快速發展階段的重要突破。在上世紀末，受到熒光燈發光原理的啟發，LED廠家通過在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉，用藍光激發熒光粉發出白光的LED發光元件。此外，通過采用不同的熒光粉，可發出色溫為4500～10 000K及色溫為2850～3800K的多種白光LED，也讓白光LED具備了成為新一代照明設備的能力。目前，白光LED的發光效率大都已超過30流明/W，某些產品已超過50流明/W的水平，具備了正式大規模實用化的基礎。 經過這么多年的發展，LED照明發光技術已經便成為一種相對成熟的事物，市面上不僅有能發出各種色彩的LED產品，也出現了大量可以用于直接照明的LED產品，此外，在顯示領域，LED產品也經歷了從單色到彩色，從低分辨的文字到高分辨率圖像顯示的進化過程，正在日益影響著我們的生活和工作。
白熾燈、熒光燈和LED燈光效率的發展趨勢
LED產品一覽
由于LED在最初是被當作一種發光元件而生產的，因此，LED技術生來就和光明結下了不解之緣。而目前存在的各種LED產品，也可以按照用途的不同，大致可以分為：LED指示/照明設備和LED顯示成像設備兩大類。
LED照明設備
LED的最大價值還是體現在照明領域。由于LED發光技術全面超越傳統光源，因此許多人都看好未來LED在照明市場的機會，根據據CIR預測，全球LED市場將從2004年的32億美元，增長至2008年的56億美元，其中，高亮度LED市場產值將由16億美元增至26.4億美元，超高亮度LED市場則將從2006年起快速成長，并于2008年占到全球市場22%的份額。
而令LED擁有如此廣闊之商業運營前景的最關鍵原因，則在于其高度節能的獨特特性。作為第三代半導體照明材料，LED的壽命是普通白熾燈的100倍，耗能卻遠比白熾燈小，更換成本也更低，并具備體積小、安全、無污染、免維護、響應速度快等附屬優點。 由于體積小、配置靈活，理論上LED照明設備可以做成任意想要的形式。因此可以預見，在未來照明市場上，LED光源將成為人們的新寵。
只要將包打開，內置的LED燈泡就會自動點亮，LED用途其實很廣泛
LED成像設備
在90年代中期，伴隨著高發光效率LED元器件的成熟，市場開始出現了一種新型的顯示設備——大屏幕LED顯示器，在各種公共場合，例如車站、證券交易大廳、我們都能看到這種LED顯示設備。 最初的LED顯示設備原理比較簡單：將每一個可以發出單色光的LED元件作為顯示設備的像素點，通過控制每一個像素點的亮于滅，來實現文字或者簡單圖像的顯示。這種設備是所有LED顯示設備中最易實現、成本低的產品，但是因為長壽命、高亮度，至今仍在很多場合得到使用。例如北京的大部分公交車和地鐵上，都有LED的提示器，可以滾動顯示各種文字信息、站名、時間等等。
除了比較初級的LED電子顯示屏，還有一種比較常見的LED顯示設備，那就是用于組建大尺寸顯示的模塊化彩色LED顯示屏。
這種模塊化的LED顯示設備，主要是用來滿足永久或者臨時性的大面積顯示的需要。例如在一些演唱會、晚會、發布會的現場，為了更好的烘托的氣氛，就需要一整塊當作背景使用的顯示設備，而在LED顯示器出現以前，這幾乎是一個不可能完成的任務。而在戶外顯示方面，傳統的霓虹燈雖然亮度較好，也可以做出非常漂亮的效果，但是充其量也只是燈具而不是顯示設備，不能實現多樣化并且靈活的顯示功能，也受到了越來越多廣告主的不滿，因此模塊化大屏幕LED顯示屏的出現，正好滿足了他們的需求。
正是基于這種需要，這種LED顯示設備采用了模塊化設計，一般一個矩形模塊的大小在0.25平米-1平米之間，通過若干模塊的排列組合，可以組建出各種尺寸的顯示面積。除了組裝成面積不等的平面顯示器，通過合理的設計，還可以利用LED屏搭建出立體的顯示器，例如可以做成一個6面同時顯示的立方體顯示器，并且通過屏幕控制裝置，實現6面獨立顯示或者整體顯示的效果，使用起來非常靈活。
和基本的LED顯示設備不同的是，模塊化LED可以顯示出完整的全彩色圖像，在一定的觀看距離上，觀眾可以得到接近傳統顯示器的圖像效果，而這主要得益于它的像素結構。從微觀上看，模塊化LED顯示設備采用了和平板電視非常類似的像素結構，即每一個像素點都是由可以發出R/G/B單色光的LED元件組成，通過3種原色的排列組合，每個像素就可以發出各種色彩的光。U2 vertigo演唱會中使用到的LED顯示屏，由于點距較大，所以圖像較粗糙。
由于定位于大面積顯示，所以模塊化LED顯示屏的每個像素之間的距離要比電視機、顯示器等設備大很多。因此在這類設備上，并不像一般顯示設備那樣用分辨率來表示清晰度，而是用每個像素點之間的點距來表示。通常來說，用于室內的LED屏一般的點距在10毫米之內，8毫米屬于中等偏上，而6毫米的則是效果好的產品，不過相應的售價也比較高。室外用LED屏的點距則要大不少，一般有10毫米、16毫米等規格，但是室外屏在防水防塵效果上要好于室內屏。
近幾年，模塊化LED顯示屏在全球范圍內都得到了非常廣泛的應用，其超高的顯示亮度、靈活的搭配方式得到了絕大多數人士的認可，已經成為戶外顯示設備的主力品種，并且在活動、演出、展覽展示等行業得到了廣泛的應用。
LED在照明領域面臨的問題：
(1)首先是發光效率問題。提高LED的發光效率最主要的方法是改進半導體發光材料與LED芯片的結構和制造工藝。由于這部分工作需要強大的理論研究基礎和先進的半導體工藝設備，因此要實現200流明/瓦的目標路途依然比較艱難。
(2)高功率問題。作為照明，單個LED輸出的光通量必須足夠大，欲加大LED的光通量，首先必須注入足夠的電功率。但LED芯片的溫升不能過高，否則各項性能特別是使用壽命會受到很大的影響。顯然，設計較大輸入功率的LED器件和燈具，除需用面積較大的芯片外，還必須有良好的散熱結構。現在國外一些著名公司已設計研制了一些特殊的LED器件結構，并已獲得了較好的效果。
(3)由于LED照明需由多個LED管組成，其參數離散性也是一個技術問題。除了通過預選、分類，盡量保證一致性以外，還必須設計合理的燈具結構(包括LED的排列和位置布局)和研究合適的驅動電路，防止偶爾產生的能量集中而燒毀部分LED。
(4)此外，由于多個LED組成一只照明燈具時，免不了對LED進行并聯、串聯。而在使用過程中只要有一個LED短路或開路，都將會導致整小片或整條LED熄滅，影響照明效果。為此，必須研究簡單而廉價的保護電路，使這種不良影響降至低限度。
LED在顯示技術領域面臨的問題：
(1)和在照明領域遇到的主要問題一樣，LED在作為新型背光源的同時，也面臨著發光效率的問題。目前傳統CCFL冷陰極熒光燈雖然耗電量大、發光質量一般，但是其發光效率可達到50～100流明/瓦，而白光LED器件在剛起步時發光效率僅為20lm/W甚至更低，這就注定LED在開始時并不適合作為LCD顯示器的背光源。不過，白光LED的發光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前為止，白光LED器件的發光效率突破50lm/W，開始達到實用化水平。 (2)LED背光源系統的成本要高于冷陰極熒光管。目前LED背光模組零組件的價格為CCFL背光源的5倍左右，屏幕尺寸越大，采用LED背光技術的成本就越高。不過LED產業也存在類似微處理器產業中的“摩爾定律”——Haitz定律，以安捷倫(LED領域領導廠商)的前任技術科學家Roland Haitz命名。其內容是LED的價格每10年將為原來的1/10，性能則提高20倍。如果這個定律能夠不斷應驗，而隨著產能的增加，LED背光源的成本將快速下滑。預計到未來一兩年LED背光的售價可降到CCFT背光的2倍左右，距離大規模普及僅有一步之遙。
大尺寸電視要使用大量的LED元件，因此散熱和價格都是比較棘手的問題
(3)RGB-LED背光源中，發出每種原色的LED元件由于采用了不同的發光材料，因此在長時間使用后，其性能的衰減將不一致，這也可能導致屆時顯示的效果出現比較大的偏差。
總結：
作為20世紀人類最重要的100項發明之一的LED技術，在經歷了30多年的發展后，終于迎來了距離廣泛應用不遠的日子，相信通過本文的介紹，你也對LED將在哪幾個方面對我們的生活產生影響有了一定了解。無論LED技術走向何方，這一充滿前途的技術必將給我們的生活帶來巨大的改變。
LED技術在顯示領域的應用
由于LED的優良發光特性，LED元件不僅可以做成直接顯示的設備，近年來，LED也被逐漸引入到現有的平板顯示技術中，特別是液晶顯示技術，非常有可能下一個被LED所壟斷的產業。LED背光源的色彩飽和度較佳，響應時間極快，漏光效果較弱。如果通過增加對比、進行區域控制等手段，性能要大大優于冷陰極熒光燈(CCFL)。而且冷陰極熒光燈含有汞等有害物質，LED相較之下更具環保優勢。LED已經在很多移動設備所使用的小尺寸面板中普及。而筆記本電腦和液晶電視等大尺寸面板用背光源將是LED產業下一個重量級應用。
目前LED技術在液晶領域的應用，主要是利用LED發光元件替代以前的CCFL熒光燈光源，作為液晶顯示設備的背光源。而如果要再次細分的話，又可以按照LED發出的光源色彩，分成白光LED背光源和RGB-LED背光源兩種。
白光LED背光源技術
在上文中，我們曾經提到過LED在發展過程中的突破之一就是實現了可發出白色光的目標。在液晶顯示設備的成像原理中，背光源發出的白光，經過液態晶體層后，再通過R/G/B彩色濾光膜，變成獨立的原色。在這一過程中，決定最后液晶顯示設備色彩的關鍵并不是液態晶體層，而是背光源的發光質量。背光源的光譜中RGB每種原色光的純度越高，在最后才能還原出越純正的原色，只有還原出純正的RGB三原色，才能調配出純正而且真實的色彩效果。
傳統的CCFL光源在發光質量上并不理想，因此還原不出非常純正的色彩，用色域范圍來衡量的話，一般就在NTSC等比的72%左右，即使是通過采用改進型的CCFL光源，也只能達到NTSC等比90%左右的色域范圍，這就造成現實世界中鮮艷、真實的色彩無法在液晶電視上還原，從而影響了圖像質量。而通過采用高發光質量的白色LED背光源，液晶電視的色域范圍可以輕松達到NTSC等比100%左右，對色彩效果提升作用明顯。
采用白光LED的另一個好處是可以有效降低液晶面板的厚度，非常適合移動設備對輕薄的追求。在介紹LED技術優點的時候，有一條就是LED的體積可以做的非常小。在液晶顯示設備中，LED背光燈板的形狀與尺寸會按照液晶面板的形狀及尺寸不同而不同。LED背光燈板基本上是長方形或長條形的。它有側部發光及底部發光兩種基本結構。側部發光的結構主要用于狹長條形的背光燈板(一般長度大于2倍的寬度);而底部發光結構主要用于長度與寬度相差不多的背光燈板。發光二極管點亮時，光線射入透明有機玻璃，使整個發光面都可以看到亮光，這稱為邊光效應。有機玻璃頂部做成微珠粒狀，可使整個發光面的光線更均勻。有機玻璃的頂部有一層乳白色透明塑料膜，可使發出的光更為柔和。背光燈板兩側邊用銀色遮光膠帶封住。每個LED發光單元列有兩個串聯的二極管，若干列組成LED陣列(視背光燈板的長度而定)。 以筆記本產品為例，采用白光LED作為液晶顯示屏的背光源后，LED背光源以多組排列于底部放置，來代替傳統的CCFL細燈管，在SONY VAIO TX筆記本上，就使用了40個的LED發光元件。用LED代替細燈管后，原導光板厚且成楔形的設計被取消，轉而導光板可以用厚度均勻且可以把整體的厚度降底。 LED的另一優點——省電，也在應用時得到了青睞。對于筆記本等移動型產品而言，使用LED可以提高整機的使用時間，從而提升了移動時的持久性。不過對于電視機而言，現階段使用LED背光并不能大幅度降低耗電量，主要是因為電視對亮度的要求較高，為了滿足亮度的需求，就要提高LED元件的數量，從而導致整體功率沒有出現明顯降低。不過，相信隨著更高發光效率的LED元件的出現，液晶電視將使用數量較少的LED元件就能實現高亮度顯示，屆時耗電量將出現大幅的下降。
RGB-LD背光源技術
由于RGB三原色可以調配出自然界中任何一種色彩，因此除了白光LED，在液晶顯示領域，還有一種采用可以發出R/G/B三種單色光的LED背光源技術。
RGB-LED背光源，就是通過可以發出高純度紅色、綠色、藍色光的LED元件，實現傳統CCFL光源不能達到的寬廣色域范圍。目前主流的RGB-LED背光源已經可以達到105%的NTSC色域范圍，而且只要采用性能更加強大的LED器件，目前已經可以實現120%以上的NTSC色域范圍。這點對于以還原圖像為主的電視機而言，將是一個非常有效的提升畫質的手段。可以預見的是，RGB-LED將在未來幾年內成為液晶電視的一個重要發展突破方向。
除了更加良好的色域表現力，采用RGB-LED光源還可以有效提升電視機的對比度，實現更加精確的色階和層次感更強的畫面。由于整個背光源由眾多微小的LED發光單元組成，所以可以對其中每一個發光器件實現精確的亮度控制。根據原始畫面特點進行小區域內的發光亮度修正變成可能，例如在一幅明暗對比強烈的畫面中，暗部區域的LED背光可以完全關閉，而明亮區域的LED背光實現高亮度輸出，由此帶來的對比度提升效果將是以往采用CCFL光源的液晶電視所不能企及的。
目前在電視機領域，已經有多家廠商推出了采用RGB-LED背光源的商用化產品，例如索尼最新的70寸液晶電視70X300A，就采用了RGB-LED背光源。利用LED可以快速關閉、分區域靈活控制、亮度可調的優點，不僅擺脫了傳統液晶電視暗部畫面層次表現不良的缺點，表現出來的優美色彩效果，已經和現有任一種液晶電視拉開了足夠距離。
由于可以直接發出R/G/B三原色光，因此更有廠家計劃取消液晶電視中占有較高成本的彩色濾膜，不過這項技術還沒有進入真正的商用階段，還需要市場和時間的考驗。
總的說來，LED技術無論是應用于照明領域，還是顯示輔助領域，或者直接用作顯示設備使用，都能通過自身的優勢獲得各種傳統設備不能比擬的性能。然而，凡事存在好的一面，當然也會有不好的一面。作為新一代的照明技術，LED并非十全十美，在上述的幾個應用領域中，還存在著一定的問題。