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ＬＥＤ的结构、性能及应用

照明工程师社区 发布时间：2007-05-25 17:17

1、概述
ＬＥＤ利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压时，半导体中的载流子发生复合，释放出过剩的能量引起光子发射而产生可见光。近年来，ＬＥＤ得到了快速发展，部分产品已进入了商用阶段，为室内外照明光源带来革命性变化。
２０世纪６０年代初，人们就已经掌握了半导体材料可以产生光线的方法：加正向偏压的砷化镓面结型二极管可作为辐射光源。１９６４年，利用ＧａＡｓＰ材料，研制出红色发光二极管（λｐ＝６５０ｎ ｍ），光效为０．１ｌｍ/Ｗ，在驱动电流为２０ｍＡ时，光通量只有千分之几流明。
到了上世纪70年代，研制出绿光（λｐ＝５５０ｎｍ）、黄光（λｐ＝５９０ｎｍ）和橙光（λｐ＝６１０ｎｍ）的ＬＥＤ，光效达到１ｌｍ/Ｗ。单色ＬＥＤ的蓬勃发展，使它在大屏幕显示、交通信号灯、仪表仪器显示等领域得到广泛应用。但遗憾的是实现全色显示的蓝光还未突破。
上世纪８０年代初，研制出ＧａＡＩＡｓ的ＬＥＤ，使得红色ＬＥＤ的光效达到１０ｌｍ/Ｗ。
１９９４年，开发出氮化镓基蓝色和绿色发光二极管，根据三基色合成原理，使全色显示和半导体照明成为可能。对于一般照明而言，人们更需要白色光源。１９９６年，日本日亚公司率先开发出白色发光二极管，为ＬＥＤ广泛进入照明领域带来了无限希望，成为ＬＥＤ照明发展史上的一个里程碑。
经过近几年的发展，彩色ＬＥＤ的光效等性能已经得到进一步的提高，使得其在装饰照明等领域得到了广泛的推广和应用。几种彩色LED的主要特性如表1所示。
目前，白光ＬＥＤ的光效还不高，但发展很快。据相关资料介绍：１９９９年日本研制出光效达到１５ｌｍ/Ｗ的LED；２００１年美国研制出光效达到４０～５０ｌｍ/Ｗ的LED，甚至超过了白炽灯和卤钨灯，接近荧光灯光效。单个ＬＥＤ功率也不够大，仅有１Ｗ多，还不能广泛用于室内外照明，但彩光ＬＥＤ在装饰照明领域的应用已经成熟。专家认为：白光ＬＥＤ的光效只有达到５０ｌｍ/Ｗ以上，并且提升单只白光ＬＥＤ的功率，才能真正在照明领域得到广泛应用。目前，白光ＬＥＤ正朝着高光效、高亮度、高功率、高显色指数的方向发展。目前，世界各国主要致力于白光ＬＥＤ的研制和开发，在不久的将来，白光ＬＥＤ的光效有望达到１００ｌｍ/Ｗ，甚至提升到２００ｌｍ/Ｗ以上，那时，ＬＥＤ将在照明光源领域占有主导地位。
2、ＬＥＤ的结构和工作原理
ＬＥＤ主要由ＰＮ结芯片、电极、光学系统及附件等组成。ＬＥＤ的发光体叫晶片，其面积为１０．１２ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝０．０２５４ｍｍ２）。
在洁净的环氧树脂中，封装半导体晶片。在半导体的ＰＮ结的Ｐ型端加正电压，空穴就会流向Ｎ型端，电子则由Ｎ型端流向Ｐ型端。当电子通过晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域，空穴和电子可以直接结合，在结合的过程中，能量以光的形式释放出光子，这就是ＬＥＤ的发光原理。另外，有些ＬＥＤ中的电子加速后在撞击、游离化过程中也可释放出能量而发光。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子能量就越高。传统的发光二极管大多是利用砷化镓（ＧａＡｓ）、磷化镓（ＧａＰ）或它们的组合晶体（ＧａＡｓＰ）等ＩＩＩ－Ｖ族的半导体构成。
ＬＥＤ的颜色和发光效率等光学性能与半导体材料及其加工工艺有关。在Ｐ型材料和Ｎ型材料中掺入不同的杂质，就可以得到不同的单一波长的ＬＥＤ发光二极管，同时电气性能也会有所不同。根据光学原理，白光由连续光谱组成，因此，不可能制出直接发出连续光谱的单只白光ＬＥＤ。在照明领域，应用最为广泛的是白光，因此，白光ＬＥＤ的研制和技术进步，关系到ＬＥＤ在照明领域的应用和推广。
单个ＬＥＤ发光二极管的光学系统包括平行发射器、偏振片、透光罩等。光学系统可以使ＬＥＤ的光束以平行光或一定的光束角发射出去（如图1所示）。因此，改变封壳圆顶的几何形状，就可以改变ＬＥＤ的光束角。
白光ＬＥＤ可以由一只ＬＥＤ产生的2种或3种单色光合成，也可以由几只单色光ＬＥＤ混装在一起，按三基色合成原理得到白光，如表2所示。目前，商品化白光ＬＥＤ主要有三种发光方式：
（1）在４６０ｎｍ波长的ＩｎＧａＮ蓝光晶粒上涂一层ＹＡＧ荧光物质，利用蓝光ＬＥＤ照射此荧光物质，可以产生５５５ｎｍ波长的黄光，再利用透镜原理把可以互补的蓝光、黄光混合，就可以发射出白光（如图2所示）。但光谱中蓝色光谱较强，缺少红色光谱，显色指数Ｒａ才达到７０。这是目前应用最为广泛的白光ＬＥＤ制作原理。
（2）经紫外芯片激发ＲＧＢ三基色荧光粉，其发光机理与三基色荧光灯相似。改变荧光粉的成分比例，就可以得到各种色温的白光，显色性较好。
（3）把ＲＧＢ三基色芯片封装在一起，改变三者的发光强度比例，就可以得到任意色温的白光（如图3所示），但产品质量不易控制。产品性能一致性较差，易受环境影响。
“图4、图5”表示一种白光ＬＥＤ构造和发光示意图：把ＧａＮ芯片和钇铝石榴石荧光粉（ＹＡＧ）封装在一起，蓝光ＬＥＤ基片安装在碗形的反射腔中，基片上覆盖着混有ＹＡＧ荧光粉的树脂薄层。通电后，ＧａＮ芯片发蓝光（λＰ＝４５６ｎｍ，Ｗｄ＝３０ＮＭ）。一部分蓝光激发ＹＡＧ荧光粉后发出黄色光，一部分蓝光与黄色光混合，就得到了白光。对于ＩｎＧａＮ/ＹＡＧ白色ＬＥＤ，通过改变ＹＡＧ荧光粉的化学组成和调节荧光粉的厚度，就能够得到３５００～１００００Ｋ的各色白光。
3 ＬＥＤ的性能
3.1 发光效率高并有极大的提升空间
单色ＬＥＤ光效已经达到１００ｌｍ/Ｗ左右，与目前光效最高的钠灯、金卤灯相当。目前白光ＬＥＤ光效虽然只有１５～５０ｌｍ/Ｗ，但已经超越白炽灯、卤钨灯光效，接近日光灯光效。专家预测，在照明领域最有应用前景的白光ＬＥＤ的发光效率，还有极大的提升空间。将会在照明光源领域掀起一场革命。
3.2 响应时间短
白炽灯的响应时间以毫秒计，ＬＥＤ的响应时间则以纳秒计。这一特性使得作为整体装饰照明的ＬＥＤ能在瞬间一致改变颜色，达到梦幻效果。
3.3 省电节能
ＬＥＤ电源电压直流６～１２Ｖ，单管功率０．０３～０．０６Ｗ，电流１５～１８ｍＡ。在同样照明效果下，耗电量是白炽灯的１/８、荧光灯的１/２。如利用ＬＥＤ更换现有白炽灯和荧光灯，会获得十分可观的经济效益。在ＬＥＤ光效进一步提高后，节能效果会更加显著。
3.4 使用寿命长
ＬＥＤ体积小、反应速度快、重量轻，环氧树脂封装，坚固耐用，平均寿命１０万小时，可以使用５～１０年。易于隐蔽安装，同时维护量小，维护费用低。
3.5 应用灵活
可以作成点、线、面等各种形式的发光产品。
3.6 光束具有方向性
每只ＬＥＤ灯管的光束都可以控制，具有一定的方向性。无眩光且光线柔和，内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式。
3.7 颜色可变
ＬＥＤ的光色可以随电流大小而改变。ＬＥＤ可以方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红、黄、绿、蓝、橙、紫等多色发光。这个特性在装饰照明中非常实用。
3.8 安全可靠无污染
ＬＥＤ工作电压低，使用安全，尤其适用于公共场所。因为其属于冷光源，工作时发热量低，无红外和紫外辐射。ＬＥＤ无汞、钠等危害人身健康的金属元素，是一种真正的绿色照明光源。
4 ＬＥＤ亟待解决的问题
虽然ＬＥＤ具有诸多优异的性能，但仍然存在着一些亟待解决的问题。
（1）提高白光ＬＥＤ的光效
使单只白光ＬＥＤ光效尽快从目前的５０ｌｍ/Ｗ以下提升到１００ｌｍ/Ｗ以上，以获得更多的节能经济效益；
（2）提高单只ＬＥＤ的功率
目前应用的ＬＥＤ，单只功率一般在１Ｗ以下，需要多只ＬＥＤ组合后才能满足装饰照明、交通信号照明等需要。要真正使ＬＥＤ广泛用于照明领域，必须提高单只白光ＬＥＤ的功率。尤其在室外照明中，普遍使用大功率光源，得到较高的光通量。因此，ＬＥＤ要真正进入照明领域，尤其进入室外照明领域，还有很长的路要走。
（3）提高白光ＬＥＤ的显色性
白光ＬＥＤ发出的光与自然光相比，仍有一定的差距。白光ＬＥＤ发出的光含有蓝色光的成分，给人的视觉产生不自然的感觉。白炽灯光中，含有较强的黄色光成分，给人以温暖的感觉。因此，进一步提高白光ＬＥＤ的显色指数，减少白光中的蓝色成分，适当增加黄色成分，是今后提高白光ＬＥＤ发光质量的重要课题之一。
（4）降低价格
降低ＬＥＤ的价格，也是必须解决的一个问题。目前使用的各种ＬＥＤ装饰灯、标志灯、交通信号灯等，都是由多只ＬＥＤ组合再配上附件、灯具而制成。一套ＬＥＤ照明灯的价格，是一套同等照明效果的普通照明灯的几倍，很难被广大消费者接受。
白光LED的现状及改进方法如表3所示。
5 ＬＥＤ的应用
目前，彩色ＬＥＤ产品的光谱，已经覆盖了整个可见光的光谱范围，并且以光效高、色彩纯正、亮度高、方向性好、颜色可变等优异的性能，广泛用于装饰照明和信号标志的各个领域。
而白光ＬＥＤ的技术性能还有待进一步提高，所以白光ＬＥＤ在室内、室外照明中还没有得到广泛应用，但专家预计：根据现今ＬＥＤ技术飞跃发展的态势，白光ＬＥＤ有望在不久的将来，成为与白炽灯、荧光灯、气体放电灯共同争霸的新一代占主导地位的照明光源。
ＬＥＤ有两种外接电源方式：一种是ＬＥＤ与其他高等级电子元器件连成可靠的发光线路，直接连接在ＡＣ２２０Ｖ的工作电源上；另一种是通过变压器把ＬＥＤ发光线路板制成低压直流工作电源，再供给ＬＥＤ使用。
5.1 ＬＥＤ应用的构成形式
（1）利用单只超高亮ＬＥＤ，根据需要组成各种线条、图形、文字等。在建筑物轮廓、市政设施、内透光、室内外装饰照明等地方应用；
（2）利用单只超高亮ＬＥＤ，集合组装成点光源，然后把这些点光源组成标志、文字、线条、图案等；
（3）把多只ＬＥＤ制成灯泡，在景观装饰和广告图案等照明中使用；
（4）以ＬＥＤ为光源，制成各种照明灯或装饰灯，如泛光灯、信号灯、水下灯、地埋灯、草坪灯、壁灯、ＰＡＲ灯、射灯、发光面砖、室内射灯等；
（5）以１条或几条ＬＥＤ为光源，外罩ＰＣ管或ＰＭＭＡ、玻璃管、ＰＶＣ管等，制成栏杆灯、轮廓灯、彩虹管等。有的灯管具有弯曲或有折光性能。这种ＬＥＤ灯常用于桥梁栏杆装饰和建筑物轮廓装饰照明；
（6）利用ＬＥＤ为点光源，制成串灯、网灯等；
（7）以ＬＥＤ为光源制成发光板，铺在广场或舞台上，能取得很好的观赏效果；
（8）以ＬＥＤ为光源，制成显示屏、标志、广告、发光柱等；
（9）以ＬＥＤ为光源，制成台灯、汽车转向灯等，用于生活照明或局部照明；
（10）以ＬＥＤ作为仪表、仪器的背光源。
在室外照明中应用的各种ＬＥＤ必须配套安装有关器件、防护玻璃、防护管或灯具等，满足相应场所的装饰照明要求。在室外地面以上安装时，建议防护等级不小于ＩＰ６５；在水下安装时，建议防护等级不小于ＩＰ６７。
目前，一些厂家根据市场需求，把ＬＥＤ制成多种模块，可以方便地制出各领域需要的产品（如表4所示）。5.2 LED应用领域
（1）交通信号灯
在我国的大中城市，已经普遍采用ＬＥＤ交通信号灯取代白炽灯交通信号灯，取得很好的效果。ＬＥＤ交通信号灯节能省电、亮度高、色彩纯正，接近平行光束，不易造成假显示，使用寿命长，灯具造型美观，是交通信号照明的发展和推广方向。
（2）标志广告照明
广告和标志使用ＬＥＤ作为光源，醒目节电，利用ＬＥＤ做成的图形和文字，可以产生色彩渐变、追逐等变化，成为城市夜晚灯光环境中的新亮点。
（3）景观照明
在建筑物立面照明中，可以用ＬＥＤ进行轮廓照明。在商业建筑门面、旅游景点、名胜古迹、休闲娱乐等场所的装饰照明中，ＬＥＤ以色彩艳丽、变化奇妙而受到欢迎和重视。
（4）市政公用设施装饰照明
ＬＥＤ作为各种市政公用设施装饰照明灯的光源，得到了广泛应用：栏杆灯、埋地灯、草坪灯、庭院灯、水下灯、椰树灯、礼花灯、发光柱等在许多城市都随处可见。尤其是装饰性栏杆灯和水下灯等，可以变幻色彩，给市政公用设施装饰照明增添了很多观赏情趣。
（5）大屏幕显示
高亮度ＬＥＤ产生的红、绿、蓝三原色光，可以组成彩色大屏幕显示屏。在一些大型公共场所，如广场、车站、金融证券厅室、体育场馆等，LED显示屏成为极好的信息显示载体。
（6）汽车照明
如今汽车逐渐进入百姓家庭，LED作为汽车的尾灯、转向灯、侧灯及车内仪表盘的照明光源，ＬＥＤ的作用更加广泛。
（7）背光源
现代众多的仪表、仪器、手机、电脑等产品，都使用ＬＥＤ作为背光源，大大地开拓了ＬＥＤ的使用领域。
（8）特殊照明和军事照明
在许多条件恶劣的工矿领域，如矿山、野外作业等，ＬＥＤ以其密封性、抗震性、防爆性、耐侯性、低压无辐射、便于携带等优势，得到了广泛应用。
（9）其他照明
安全低电压、抗震、亮丽的性能优势使LED在玩具、礼品、工艺品等制品中得到广泛应用。
参考文献
1 屠其非.周大明.照明设计师的新宠儿LED
2 《城市夜景照明技术指南》 北京照明学会.北京市市政管理委员会

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