LED是一種半導(dǎo)體，通電即會發(fā)光。作為一種廣受矚目的發(fā)光裝置，因其卓越的特性，如高能效、環(huán)保、長壽命等，而成為新型光源的主流。

接下來，讓我們簡要探討LED的發(fā)光機制：

LED是“Light Emitting Diode”的縮寫，中文即發(fā)光二極管，由鎵(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等化合物制成。

一、LED燈發(fā)光原理

LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為光能的固態(tài)半導(dǎo)體器件，能直接把電轉(zhuǎn)化為光。

半導(dǎo)體晶片由兩部分組成。一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結(jié)。

當電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的電子與P型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴在發(fā)光層劇烈地碰撞復(fù)合產(chǎn)生光子，然后就會以光子的形式發(fā)出能量(即大家看見的光)。這就是LED燈發(fā)光的原理。

而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的不同材料的半導(dǎo)體會產(chǎn)生不同顏色的光色，如紅光、綠光、藍光等等。但是，到目前為止還沒有任何一種半導(dǎo)體材料能發(fā)出白色的光，我們使用最多還是發(fā)藍光LED。

藍光LED轉(zhuǎn)變?yōu)榘坠釲ED，最大的原因在于晶片中多了一層熒光粉。藍光LED基片安裝在反射腔中，覆蓋以混有熒光粉樹脂薄層，約200-500nm。

所產(chǎn)生的藍光有一部分會直接穿過熒光涂層直接發(fā)射出去;剩下的一部分會打在熒光涂層上并與之作用產(chǎn)生黃色光子。藍色光子與黃色光子共同作用(混合)就產(chǎn)生了白光。

LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到白光。通過改變熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。如果藍光的占比多一點，則產(chǎn)生高色溫的白光;相反，如果黃光占比多一點，則產(chǎn)生色溫較低的白光。這種通過藍光得到白光的方法，構(gòu)造簡單、成本低廉、技術(shù)成熟度高，因此運用最多。

二、LED發(fā)光波長

波長：光的色彩強弱變化，是可以通過數(shù)據(jù)來描述，這種數(shù)據(jù)叫波長。我們能見到的光的波長，范圍在380至780nm之間。單位：納米(nm)

有時我們在看數(shù)據(jù)時候，可能會發(fā)現(xiàn)有兩種不同的波長參數(shù)：“峰值波長”和 “主波長” 。

比如，當電流為20mA的時候，APT1608SURCK峰值波長為645nm，主波長為630nm

發(fā)光峰值波長

LED 所發(fā)的光并非單一波長，無論用什么材料制成的LED，其光譜分布曲線都有一個相對光強度最強處(光輸出最大)，與之相對應(yīng)有一個波長，此波長叫做峰值波長，用λP表示。由圖可知白光LED是藍光與黃光的混合光。

峰值波長 λP(Peak Wavelength ) : 定義為光譜輻射功率最大處所對應(yīng)的波長。簡單的說就是它不代表人肉眼能看到的波長而是光學(xué)檢測器能看到的波長。

主波長

主波長 λD(Dominant Wavelength)：眼睛能看到光源發(fā)出的主要光的顏色所對應(yīng)的波長為主波長;通?？吹降囊皇猓⒎鞘菃我徊ㄩL的光，它是由很多波長的光組合而成的。我們?nèi)搜鄹惺艿降氖歉鞑ㄩL作用的綜合結(jié)果，感覺它對應(yīng)于一個單一波長的光，這個波長值就是主波長λD。

一般來說，這兩個參數(shù)并沒有太大的不同，但在使用這兩個參數(shù)進行選料時可以考慮我們的應(yīng)用。例如:

如果LED用于光學(xué)儀器并且機器用于識別波長，則應(yīng)使用峰值波長進行LED選料。

如果LED用于為顯示器提供背光或以其他方式照亮或指示操作人員的某些內(nèi)容，則應(yīng)使用主波長進行LED選料。

三、LED燈珠產(chǎn)生不同顏色的光

LED都能夠發(fā)出特定波長的光，從而產(chǎn)生不同的顏色。

常見顏色的LED：

紅色LED： 這類LED通常采用鎵砷化鋁(AlGaAs)或鎵砷化磷(GaAsP)等材料，通過電子躍遷發(fā)射紅色光。

綠色LED： 綠色LED使用氮化鎵(GaN)材料，產(chǎn)生綠色光。

藍色LED： 藍色LED則使用銦鎵氮化物(InGaN)材料，產(chǎn)生藍色光。白色LED： 白色LED通常是通過在藍色LED上添加熒光粉層實現(xiàn)的。藍色LED激發(fā)熒光粉發(fā)射黃色光，組合后產(chǎn)生白色光。

▲波長范圍，顏色標記根據(jù)文獻不同略有差異

除了半導(dǎo)體材料的選擇，LED的發(fā)光顏色還可以通過摻雜不同的雜質(zhì)或通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)。例如，改變摻雜物的類型和濃度可以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體的電子能級結(jié)構(gòu)，從而影響光的發(fā)射波長。

此外，改變LED的結(jié)構(gòu)和層次布局也可以影響光的發(fā)射特性。

四、LED的優(yōu)點

以下是LED的一些顯著優(yōu)點，使其成為發(fā)出不同顏色光的理想選擇：

高效能：LED具有卓越的能源效率，能夠?qū)⒋蟛糠蛛娔苻D(zhuǎn)化為光能，而不是熱量。這有助于減少能源浪費和降低電費成本。

長壽命：LED的壽命通常遠遠超過傳統(tǒng)光源，可以達到數(shù)萬小時，甚至更長。這減少了更換燈泡的頻率，減少了維護成本。

快速響應(yīng)：LED可以迅速啟動和熄滅，無需預(yù)熱時間，適用于需要即時亮度的應(yīng)用。

可控性：LED可以通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)整亮度，還可以使用PWM(脈沖寬度調(diào)制)來實現(xiàn)燈光的無級調(diào)節(jié)，從而提供各種光照效果。

綜上所述，LED之所以能夠發(fā)出不同顏色的光，是因為它們依賴于不同類型的半導(dǎo)體材料和電子躍遷原理。

而其高效能、長壽命和可控性等優(yōu)點使LED成為了現(xiàn)代照明和顯示技術(shù)的首選，為我們的生活帶來了更多的便利和可持續(xù)性。無論是在家庭照明、電視電腦屏幕還是汽車前照燈中，LED都已經(jīng)成為不可或缺的一部分。

五、LED燈珠波長對屏幕顯示效果影響

1、先看分辨率、對比度和清晰度的描述

分辨率是對空間細節(jié)分辨的能力，分辨率越高圖像就越清晰細膩，如果能把相鄰相近非常近的線條分開，我們就說圖像的分辨率高。

對比度是指的畫面的明暗反差程度，增加對比度，畫面中亮的地方會更亮，暗的地方會更暗，明暗反差增強。

銳度只作用于物體的邊緣，但原理不同，主要是通過在邊緣增加黑白相間的高對比線條“隔離帶”，并不是漸變的，而是兩邊明暗反差非常分明的，影響范圍小于清晰度，讓邊緣看起來更加銳利。

清晰度相當于讓邊緣的一邊加上一根白色漸變條，暗的一邊加上一根黑色漸變條，從而讓物體輪廓和細節(jié)紋理更加清晰。

所以清晰度會增加邊緣附近的反差，讓物體輪廓更清晰，遠離輪廓線的地方，明暗基本保持原來的狀態(tài)。清晰度=銳度+分辨率。分辨率決定了能分辨出相鄰多近的細節(jié)，銳度決定了細節(jié)邊緣的銳利程度。

2、LED波長與屏幕分辨率、對比度和清晰度的關(guān)系

一切影響光學(xué)系統(tǒng)的分辨率的因素都來源于衍射效應(yīng)。當光波通過具有一定狹縫或孔徑的障礙物時，均會發(fā)生衍射現(xiàn)象。

衍射現(xiàn)象可描述為一個無限小的物點經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)或狹縫等障礙物成像時將產(chǎn)生一個彌散光斑。對圓形孔徑障礙物而言，根據(jù)瑞利判據(jù)，當物方上的兩點逐漸靠近至某一最小距離時，像方上對應(yīng)的像點將不可分辨(變現(xiàn)為兩個彌散的光斑交疊在一起)。

上圖中(a)為物，(b)(c)為物經(jīng)圓形孔徑后所成的像【(b)表示長波照射下所成的像，(c)表示短波照射下所成的像】

衍射發(fā)生的條件為波長λ比障礙物的尺寸D大或相差不多。

波長越大，衍射效應(yīng)越明顯，對應(yīng)產(chǎn)生的彌散光斑就越大，像就越模糊，對應(yīng)的系統(tǒng)分辨率就越低;

相反，波長越小，衍射效應(yīng)越不明顯，對應(yīng)產(chǎn)生的彌散光斑就越小，像就越清晰，對應(yīng)系統(tǒng)的分辨率也就越高。

接下來我們以半導(dǎo)體制成工藝為例介紹波長對光學(xué)系統(tǒng)分辨率的影響。由下圖可見，清晰的物(掩膜)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成在晶圓(像面)上的像將在一定程度上變得模糊(表現(xiàn)為對比度的下降)。

根據(jù)瑞利判據(jù)，照射波長越小，對應(yīng)晶圓上的艾里斑就越小，這樣像的分辨率(分辨率通常以每毫米最多可分辨的線條數(shù)來表示(單位為lp/mm:毫米每線對))和對比度就越高，即系統(tǒng)成像的清晰度提升了，這樣一來，掩膜版的圖形就可近以完美的刻在硅片上。

半導(dǎo)體低納米制成工藝通常要求更短的光波長，因為只有這樣才可以在晶圓上刻制出和掩膜版近似一樣的圖形(納米尺度上)。

從以上的討論中可以知道，照射波長越小，對應(yīng)像的對比度和分辨率就越高，即像的清晰度提高了，可以簡單理解為像的清晰度=分辨率+對比度。

3、同角點不同波段問題

每一個角點所對應(yīng)的波長都不是一個確定的值，生產(chǎn)中難免會有波動，所以每個角點又細分為四個波段，每個波段的長度大約為2nm左右。在制作背光時要加以區(qū)分，否則后期可能會出現(xiàn)同色異譜的現(xiàn)象。

什么是同色異譜?兩個有色樣品在某一個相同光源下似乎是相同的顏色，但在另外一個相同的光源下似乎是不同的顏色，如下圖，這種現(xiàn)象就是同色異譜。

從以上可知LED是一種高效能、環(huán)保、長壽命的發(fā)光裝置，其發(fā)光原理基于半導(dǎo)體材料將電能轉(zhuǎn)換為光能。LED可發(fā)出不同顏色光，波長決定光色，藍光LED結(jié)合熒光粉可產(chǎn)生白光，被廣泛應(yīng)用于照明、顯示等領(lǐng)域。

LED波長影響屏幕顯示效果，波長越小，分辨率和對比度越高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細的屏幕顯示效果，給我們的生活帶來了無限色彩和可能。