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LED光源基礎(chǔ)介紹
2024-10-21
發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode, LED）是一種基于半導體電致發(fā)光原理的固態(tài)光源，因其高效、穩(wěn)定和光譜可控等特性，成為科研領(lǐng)域的核心工具。
原理
LED的發(fā)光是由于正向偏壓下PN結(jié)的載流子復合過程。半導體材料通過摻雜工藝形成P型與N型半導體，二者結(jié)合時構(gòu)成PN結(jié)。在P型半導體中，摻入三價元素（如硼）會產(chǎn)生大量空穴（正電荷載流子）；而在N型半導體中，摻入五價元素（如磷）會引入自由電子（負電荷載流子）。當P型與N型材料接觸時，界面處因載流子濃度差異發(fā)生擴散：電子從N區(qū)向P區(qū)移動，空穴從P區(qū)向N區(qū)移動。擴散后，界面附近形成一個幾乎沒有自由載流子的區(qū)域，稱為耗盡層。耗盡層內(nèi)，N區(qū)殘留帶正電的離子，P區(qū)殘留帶負電的離子，從而產(chǎn)生由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場。該電場阻礙載流子進一步擴散，最終達到動態(tài)平衡。
當對PN結(jié)施加正向偏壓（P區(qū)接電源正極，N區(qū)接負極）時，外電場方向與內(nèi)建電場相反，削弱了耗盡層的電勢差。此時，電子從N區(qū)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)注入N區(qū)，兩者在耗盡層內(nèi)相遇并復合。復合過程中，電子從導帶（高能級）躍遷至價帶（低能級），能量差以光子形式釋放，這一現(xiàn)象稱為電致發(fā)光.
性能參數(shù)
中心波長是LED光譜中光強最大值對應(yīng)的波長，一般直接由半導體材料的能帶結(jié)構(gòu)決定。
半高寬為光譜中峰值強度50%處對應(yīng)的波長范圍，是表征光源單色性的重要指標。晶萃光學JCOPTIX提供24款單色LED，波長分別為365 nm、385 nm、395 nm、405 nm、415 nm、450 nm、470 nm、500 nm、530 nm、556 nm、590 nm、600 nm、620 nm、630 nm、660 nm、720 nm，850 nm，880 nm，970 nm，1050 nm，1200 nm，1300 nm，1550 nm和1650 nm。
色溫是用于描述白光LED的顏色的參數(shù)，定義為黑體在相同顏色下對應(yīng)的溫度，單位為開爾文（K）。低色溫（<3500 K）對應(yīng)暖白光（紅光成分多），高色溫（>5000 K）對應(yīng)冷白光（藍光成分多）?，F(xiàn)在常見的白光LED是在藍色二極管發(fā)光面上涂上黃色熒光材料，通過藍光激發(fā)黃光，混合后實現(xiàn)白光，可通過改變熒光粉配比來調(diào)節(jié)色溫。晶萃光學JCOPTIX提供多種色溫（4000K、5000K、5700K等）的白光LED。
工作電壓，即LED正常工作所需的正向電壓，不同顏色的LED具有不同的驅(qū)動電壓，與材料本身特征和器件阻抗有關(guān)。
工作電流，即LED正常工作的的電流，一定范圍內(nèi)，LED的發(fā)光強度和電流成正比。由于LED為電流驅(qū)動器件，需采用恒流電源可以避免電壓波動引起的亮度變化。晶萃光學JCOPTIX提供的LED控制器可以滿足0到1200 mA電流驅(qū)動的各類LED。LEC1-B具有前后上三個面板。其中上部面板具有輸出電流調(diào)節(jié)旋鈕，前部面板包含控制器限流旋鈕和模式切換開關(guān)。后部面板包含15V直流電源插口、標準SMA觸發(fā)信號接頭、以及標準四芯LED線纜連接頭。其中輸出電流限流調(diào)節(jié)開關(guān)可用于調(diào)節(jié)LED控制器最大輸出電流。通過平頭螺絲刀旋轉(zhuǎn)箭頭方向調(diào)節(jié)輸出電流限流，從200 mA至1200 mA連續(xù)可調(diào)。輸出電流調(diào)節(jié)旋鈕可用于打開LED控制器以及連續(xù)調(diào)節(jié)LED輸出電流。LEC1-B型LED驅(qū)動器提供的模式切換開關(guān)可以隨意切換三種工作模式：恒流模式（CW），調(diào)制模式（MOD）和觸發(fā)模式（TRIG）。
光衰率：LED的光強往往會隨著時間發(fā)生非線性衰減，可以用光衰率描述LED光輸出隨時間衰減的程度，通常以光通量一定時間內(nèi)的穩(wěn)定值與初始值的之間比值來表征。LED光衰與多種原因有關(guān)，其中熱效應(yīng)會對LED性能有顯著影響,高溫會導致輸出光功率下降甚至波長偏移.因此,需采用合理的散熱設(shè)計來維持LED光源的穩(wěn)定性。晶萃光學JCOPTIX提供的LED后端排布優(yōu)化后的散熱片，極大降低LED光致熱，實現(xiàn)功率穩(wěn)定輸出，消除LED溫升導致光輸出功率下降的問題。
光束發(fā)散角：又稱為視角，指光強降低至一半時所對應(yīng)的的角度，取決于芯片結(jié)構(gòu)與封裝設(shè)計。
發(fā)光強度：單位坎德拉，即cd。光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的（發(fā)）光強（度），發(fā)光強度是針對點光源而言的，或者發(fā)光體的大小與照射距離相比比較小的場合。這個量是表明發(fā)光體在空間發(fā)射的會聚能力的。
光通量：單位流明，即lm。光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量。同樣，這個量是對光源而言，是描述光源發(fā)光總量的大小的，與光功率等價。光源的光通量越大，則發(fā)出的光線越多。
光照度：單位勒克斯即lx（以前叫l(wèi)ux）。1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度。