LED在照明領域的應用研究

柴萬東

（赤峰學院 物理與電子信息工程系，內蒙古 赤峰 024000）

LED在照明領域的應用研究

柴萬東

（赤峰學院 物理與電子信息工程系，內蒙古 赤峰 024000）

自1969年第一盞紅色LED燈發明到現在，短短的幾十年時間里，LED產業伴隨著半導體技術的發展而飛速發展，應用領域不斷擴大，LED的需求量也越來越大.由于LED本身具有的鮮明特點也使得它在各種領域中扮演著重要的角色，特別是白光LED的發明使LED用于室內照明成為可能，被稱為是繼白熾燈照明發展歷史120年以來的第二次革命.

LED；白光LED；光源；照明

自1879年愛迪生發明電燈開始，人類的生產生活揭開了新的一頁，人們從黑暗中解放出來.歷經一百多年的變遷，人類的照明光源也隨著科技的進步在不斷地發生著變化，從第一代的白熾燈到第二代熒光燈再到第三代高強度氣體放電燈，這些變化無不是向著更節能，更高效，更環保，更安全等方面發展.與其它領域的發展變化一樣，照明光源的每一次發展變化都讓人們更深切地體會到科技的神奇與魅力，以及科技帶給人類的輕松與便捷.在半導體技術飛速發展的今天，一種新的光源——LED以其它光源無可比擬的優勢必將成為繼白熾燈、熒光燈及高強度氣體放電燈后的第四代照明新光源.

LED是light emitting diode的英文縮寫，中文名：發光二極管，是一種固態的半導體器件.是由元素譜中的Ⅲ-Ⅳ族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的.其核心是PN結，因此它具有一般P-N結所具有的伏安特性，即正向導通，反向截止、反向擊穿特性.而我們用LED來做光源則是利用了它的另外一個重要特點，那就是在一定條件下，LED還具有發光的特性.

當PN結在外加正向電壓時，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區，進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合，復合后多余的能量則以光能的形式釋放出來，使LED具有發光的性質.假設發光是在P區中發生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光，或者先被發光中心捕獲后，再與空穴復合發光.除了這種發光復合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，這種復合每次釋放的能量不大，不能形成可見光.發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大，發光效率越高，要想使LED進入照明領域并廣泛應用，必須使發光效率達到一定的值（200lm/w）.

LED具有如下特征：1.體積小：LED基本上是一塊很小的芯片被封裝在環氧樹脂里面，每個單元小片是3—5mm的正方形，所以可以制成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境.2.耗電量低：LED耗電非常低，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是0.02-0.03A，這就是說它消耗的電不超過0.1W，較同光效的白熾燈減少80%.世界各國也正是看中了它的這個特點，大力發展半導體照明，用以替代傳統的照明光源達到節能的目的.3.使用壽命長：在恰當的電流和電壓下，LED的使用壽命可達10萬小時，是傳統光源的5倍.4.穩定性高：LED工作10萬小時，光衰為初始的50%.5.高亮度、低熱量，這也使得LED的光效非常高.6.環保：LED是由無毒的材料制成，制作過程不會對環境造成污染，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用.7.響應時間短：白熾燈的響應時間為毫秒級,LED燈的響應時間為納秒級，可以用于高頻電路.8.堅固耐用：LED是被完全的封裝在環氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固.燈體內也沒有松動的部分，這些特點使得LED可以說是不易損壞的.9.更安全：LED燈不需要加反射器，工作電壓低，沒有紫外輻射，更適于在公共環境中使用.

LED光源的發光顏色多變，其發光顏色和發光效率與制作LED的材料和工藝有關，另外與LED所流過的電流的大小也有關系.目前廣泛使用的LED有紅、綠、藍三種，而用來替代傳統光源進入照明領域的LED則是發白光的白光LED，它相對于其它顏色的LED在制造上要特殊一些，在光效的要求上也更高些.

傳統的LED的應用已經有很多年歷史了，主要應用于顯示屏，建筑景觀照明，交通信號燈，小尺寸LCD背光源，汽車信號燈；近幾年來則被用作中大尺寸LCD背光源，道路照明燈，室內普通白光照明.隨著半導體技術的發展，LED在一些新興的前沿領域也有了市場，如太陽能LED照明，農業生產用人工光源，醫療用光源等.在這些應用領域中，白光LED進入照明領域與我們的生活密切相關.

隨著LED芯片制造與封裝技術的進步以及效率的提升，結合LED自身所具有的其它傳統光源無可比擬的優勢，白光LED取代傳統光源可為可能，可以說白光LED的開發是繼白熾燈照明發展史120年以來的第二次革命.各國政府也紛紛投入巨資來研發，并取得了一度程度的成功.

白光LED相比于其它顏色的LED在制造工藝上有所不同，我們知道可見光光譜的波長范圍為380nm-760nm，這個范圍也正是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的波長范圍，這七種顏色的光都各自是一種單色光.在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光復合而成的復合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光.彩色電視機中的白色光則是由三基色紅、綠、藍合成.由此可見，要使LED發出白光，它的光譜特性應包括整個可見的光譜范圍.但要制造這種性能的LED，在目前的工藝條件下是不可能的.根據人們對可見光的研究，人眼睛所能看見的白光，至少需兩種光的混合，即二種波長發光（藍色光＋黃色光）或三種波長發光（藍色光＋綠色光＋紅色光）的模式.

鑒于這種原因，目前實現白光LED的方法有三種，第一種方法：用發藍光的LEDGaM芯片和可被藍光有效激發的發黃色光的熒光粉YAG（釔鋁石榴石）封裝在一起，GaM芯片發藍光，高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光，藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，LED基片發出的藍光一部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，這樣可以得到白光.第二種方法：將紅、綠、藍三基色LED封裝在一起組成一個像素，也可得到白光.第三種方法：像三基色節能燈那樣，發紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激發而發射紅、綠、藍三基色的熒光體有機結合組成白光LED.在以上三種方法中第一種方法是目前制作白光LED的主導方案，并且通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光.這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多.在國內外已經形成產業化.

目前在照明領域廣泛使用的光源是白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等.白熾燈具有安裝簡便的優點，但是它的光效低，耗電高，壽命短，易碎；熒光燈相對省電，但廢氣中有汞氣污染，此外也有電磁污染，容易老化，怕振動，易碎；高壓鈉燈則成本高，安裝及維護困難.光效低，耗電高，壽命短.白光LED比現行的光源壽命提高5倍以上，且生產過程無污染，更環保；白光LED體積小，發熱低（沒有熱幅射），光效高，耗電量小，低電壓低電流起動，更安全，反應速度快，可以用于高頻電路，可平面封裝，易開發成輕薄短小產品，不易碎，適用范圍更廣，基本不需要維護.除此以外還可以利用LED響應時間短的特點，通過相應的電路對LED進行控制，控制發光的亮度及開起的時間，從而達到更加節能的目的.可以說白光LED是絕對符合環保節能理念的綠色光源.

我國是僅次于美國的第二大發電大國，其中80%為火力發電，需要燃燒大量的原煤和石油，生產過程中產生大量的粉塵和SO2、CO2等氣體，環境污染嚴重，在所發電量中照明用電占10—12%（發達國家占20%），我國是能源相對緊缺的國家，所以在我國發展白光LED對于走可持續發展的道路有重要的戰略意義.

世界各國都將白光LED照明列為本國的重要課題.美國從2000年起投資5億美元實施國家半導體照明計劃，美國能源部預測，到2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈被半導體燈具替代，每年節電可達350億美元.日本計劃到2007年全國將有30%的白熾燈被置換為半導體照明燈.我國科技部在863計劃的支持下，2003年6月首次提出發展半導體照明計劃，經過短時間的科技攻關，已自主開發出在藍色芯片上涂敷熒光粉以產生白光，形成了實現白光LED照明的成熟技術，并向國際市場推出了傳統封裝型和多芯片集成型的系列白光LED光源及普通照明燈產品.目前我國也有兩千余家大小企業進入LED及白光LED生產領域.

在LED產業一片繁榮的背后，我們也清醒的看到，白光LED的普及及完全替代傳統光源而進入照明領域還存在一些制約.首先，LED為半導體組件，價格與亮度會呈現同比例增加，而成熟的傳統照明燈具則不會有此情況，這就使得白光LED燈具相比同效果的其它燈具的價格高出很多；其次，生產白光LED都需要發藍光的藍光芯片，而“藍光技術”的掌握只有日本的日亞光學公司，日本的豐田合成公司，美國的CREE公司及德國的歐司朗公司等少數幾家公司.所以它的普及涉及到知識產權等眾多問題，這也是白光LED價格偏高的原因之一；第三就是目前的白光LED成本較高；第四是白光LED所用的電源的可靠性和控制電路需要完善，電源管理方案不但影響到節能，而且也大大影響LED的實際使用壽命.

我國的白光LED產業則突出表現為LED企業核心芯片技術缺失，LED行業尚無統一標準，封裝技術落后，雖然有眾多企業進入此領域，但是缺少自主知識產權，產品同質化、技術雷同化，大多數中小企業無核心競爭能力.成為我國白光LED產業的制約瓶頸，但是我國在稀土熒光粉方面有優勢.

值得欣慰的是，國家開始下大力量發展此項產業，2009年初，中國科技部推出“十城萬盞”半導體照明應用示范城市方案，該計劃涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個國內發達城市.由此可以看到我國在白光LED生產發展方面所下的決心.

近兩年來白光LED的光效由1998年的5lm/w發展到了2008年的161lm/w，價格也由原來是傳統燈具的10-20倍下降為2—5倍.我們有理由相信，在國家的重視下，在科技人員及眾多企業的參與下，白光LED這一照明產品必將在不遠的將來取代白熾燈、熒光燈而進入普通照明領域，成為真正的第四代環保節能光源.

TN383

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1673-260X（2010）01-0020-02