發光二極體 （LED） 是高效的半導體，透過電致發光的過程產生光。它們比白熾燈或螢光燈更小、更耐用且更可靠。LED 在照明、顯示器和專業領域有應用，具有高性能和節能的特點。本文提供有關 LED 的工作原理、特性、使用壽命和高級類型的資訊。
LED概述
發光二極體 （LED） 是一種半導體器件，當電流正向流過它時會產生光。與通過加熱燈絲發光的白熾燈泡或依賴氣體激發的熒光燈不同，LED 通過電致發光發揮作用，電致發光是電子與半導體內部空穴重新結合時直接發射光子。這個過程使它們比舊技術更有效率和可靠。LED 因其緊湊的設計、較長的使用壽命、抗衝擊和振動的耐用性以及最小的功耗而脫穎而出。
半導體中的發光
這張圖片解釋了半導體中的發光過程，這是 LED 背後的工作原理。當半導體被電流或光注入激發時，電子從價帶移動到導帶，從而在電子和空穴之間產生分離。這種能量差稱為帶隙 （Eg）。
一旦被激發，導帶中的電子最終會與價帶中的空穴重新結合。在這個複合過程中，損失的能量以光子的形式釋放。發射光子的能量與材料的帶隙完全對應，這意味著光的波長（或顏色）取決於半導體的帶隙。
LED電氣特性
| LED顏色 | 順向電壓 （Vf） | 順向電流 （mA） | 筆記 |
|---|---|---|---|
| 紅色 | 1.6 – 2.0 伏特 | 5 – 20 毫安 | 最低的 Vf，高效率 |
| 綠色 | 2.0 – 2.4 伏特 | 5 – 20 毫安 | 稍高的 Vf |
| 藍色 | 2.8 – 3.3 伏特 | 5 – 20 毫安 | 需要更高的電壓 |
| 白色 | 2.8 – 3.5 伏特 | 10 – 30 毫安 | 採用藍色 LED + 螢光粉塗層製成 |
LED發光輸出及光效
| 光源 | 功效（每瓦流明） | 筆記 |
|---|---|---|
| 白熾燈泡 | \~10–15 流明/瓦 | 大部分能量以熱量的形式損失 |
| 鹵素燈 | \~15–25 流明/瓦 | 比白熾燈略好 |
| 螢光燈管 | \~50–100 流明/瓦 | 需要鎮流器，含有汞 |
| 緊湊型螢光燈 （CFL） | \~60–90 流明/瓦 | 小型產品，即將淘汰 |
| 現代 LED | 120–200 流明/瓦 | 可用於消費性照明 |
| 高端 LED 原型 | 250–300+ 流明/瓦 | 經過實驗室測試，展現未來潛力 |
LED色彩和渲染品質
相關色溫 （CCT）
• 暖白 （2700K–3500K）：產生淡黃色光芒，最適合客廳、餐廳和舒適的室內環境。
• 中性白（4000K–4500K）：平衡舒適，常用於辦公室、教室和零售空間。
• 冷白光 （5000K–6500K）：清晰、藍色的日光般的光線，非常適合戶外照明、車間和任務繁重的環境。
顯色指數 （CRI）
• 顯色指數 ≥ 80：適用於家庭和商業照明。
• CRI ≥ 90：需要精確色彩判斷的領域，例如藝術工作室、醫療設施和高端零售。
LED 壽命和流明維護
L70 標準
LED 壽命以 L70 標準衡量。此值代表 LED 的光輸出降至其原始亮度的 70% 之前的工作小時數。此時，LED 仍可運作，但不再提供其預期的照明品質。L70 確保以一致的方式比較不同製造商的 LED 性能。
LED 壽命
• 消費類 LED：使用時間 25,000 – 50,000 小時。
• 工業 LED：50,000 – 100,000+ 小時，專為更惡劣的條件和更高的佔空比而設計。
LED熱管理
結溫 （Tj）
結溫是 LED 晶片內部產生光的點的內部溫度。製造商規定的安全工作範圍低於 125 °C。 如果超過此值，LED 的亮度、效率和使用壽命都會降低。保持較低的 Tj 可確保 LED 能夠滿足其額定性能。
結到環境熱路徑
LED 內部產生的熱量必須從結點傳播到周圍的空氣。此路徑稱為 Junction-to-Ambient 路徑。設計人員使用熱阻 （RθJA） 來測量其有效性，以 °C/W 表示。較低的熱阻意味著熱量傳遞效率更高，使 LED 保持涼爽和穩定。
冷卻方式
• 散熱器 - 鋁製翅片吸收熱量並將其散發給 LED。
• 熱通孔 - PCB 上的小電鍍孔將熱量從 LED 焊盤傳導到銅層。
• 金屬芯 PCB （MCPCB） - 這些板用於高功率 LED，具有可有效傳遞熱量的金屬底座。
• 主動冷卻 - 風扇或液體冷卻系統用於要求苛刻的環境，例如投影機、體育場照明或工業固定裝置。
LED驅動方式
恆定電流驅動器
恆定電流驅動器即使在電源電壓波動時也能保持 LED 電流穩定。這是為 LED 供電的最可靠方式，因為它可以防止熱失控並保持一致的光輸出。高品質驅動器通常包括針對短路、突波和過熱條件的保護。
PWM調光
脈寬調變 （PWM） 透過以非常高的速度開啟和關閉 LED 來控制亮度。透過調整佔空比（導通時間與關斷時間的比率），感知亮度會平滑變化。由於開關頻率高於人眼的檢測範圍，因此光線看起來穩定。低頻 PWM 設計不當的系統可能會導致可見的閃爍，導致眼睛疲勞或相機偽影。
類比調光
在類比調光中，透過改變流經 LED 的電流幅度來調整亮度。這種方法可以避免閃爍問題，但可能會稍微改變 LED 的顏色，尤其是在非常低的亮度水平下。在先進系統中，類比調光通常與 PWM 結合，以實現平滑的色彩控制和精確的亮度調節。
LED封裝和光學
表面貼裝元件 （SMD） LED
SMD LED 是現代照明中最常用的類型。它們直接安裝在 PCB 上，有 2835 和 5050 等標準尺寸。SMD LED 具有良好的效率和靈活性，最適合 LED 燈條、家用燈泡和面板燈。其緊湊的尺寸可以輕鬆整合到輕薄的固定裝置中。
板載晶片 （COB） LED
COB 封裝將多個 LED 晶片直接安裝在單一基板上，形成密集的光源。與單個 SMD 相比，這種設計可提供更高的亮度、更平滑的光輸出並減少眩光。COB LED 用於需要強烈定向照明的聚光燈、筒燈和高功率燈。
晶片級封裝 （CSP） LED
CSP 技術消除了笨重的封裝，將 LED 縮小到幾乎與半導體晶粒本身相同的尺寸。這允許更小、更高效和熱穩定的設計。CSP LED 廣泛應用於需要緊湊性和耐用性的汽車前燈、智慧型手機背光和顯示面板。
光學和光束控制
LED 封裝發出的生光並不總是適合直接使用。為了塑造和引導光線，設計師使用透鏡等光學元件來聚焦或傳播光線。反射器用於重定向和控制光束角度。擴散器提供柔和、均勻的照明。
專用 LED 類型
紫外線 LED
發射紫外線進行殺菌、黏合劑固化和防偽。汞紫外線燈的安全、緊湊的替代品。
紅外線 LED
為遙控器、夜視和生物辨識系統產生不可見的紅外線。高效，廣泛應用於電子和安全領域。
OLED 顯示器
薄而柔性的有機 LED 用於智慧型手機、電視和穿戴式裝置。提供鮮豔的色彩和對比度，但使用壽命較短。
微型 LED
下一代顯示器提供比 OLED 更明亮、更有效率、更持久的性能。最適合 AR/VR、電視和智慧手錶。
雷射二極體
產生相干高強度光束的半導體裝置。用於光纖、掃描器、醫療工具和雷射筆。
結論
LED 已發展成為用於照明、顯示器和先進技術的多功能組件。它們的效率、耐用性和可控性使其有別於舊光源。UV、IR、OLED 和 micro-LED 等特殊形式進一步擴展了其作用。隨著不斷的改進，LED 仍然是永續和高性能照明系統未來的核心。
常見問題 [常見問題]
第 1 季度。LED 由什麼材料製成？
LED 由砷化鎵 （GaAs）、磷化鎵 （GaP） 和氮化鎵 （GaN） 等半導體製成。
第二季度。為什麼 LED 需要電阻器？
電阻器限制電流並保護 LED 免於燒壞。
第三季度。白光LED是如何製造的？
白光 LED 使用帶有黃色熒光粉塗層的藍色 LED 晶片來產生白光。
第四季度。為什麼 LED 會隨著時間的推移而改變顏色？
LED 會因熱量和材料降解以及螢光粉降解而變色。
第 5 季度。LED可以在極端環境下工作嗎？
是。通過正確的設計，LED 可以在非常冷、熱、潮濕或多塵的條件下運行。
第 6 問。如何測試 LED 壽命？
LED 經過熱、濕度和電應力測試，以估計使用壽命。