LED半导体照明概述

第４０卷第９期・学术　Ｖｏ１．４０　Ｓｅｐ．９　湖南农机　２Ｏ１３年９月　ＨＵＮＡＮ　ＡＧＲＩＣＵ　ｎＪＲＡＬ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｓｅｐ．２０１　３　ＬＥＤ半导体照明概述　张立华　（陕西烽火佰鸿光电科技有限公司，陕西西安７１００７５）　摘要：ＬＥＤ（发给二极管）作为第四代光源，以其自身的体积小，光效高等优点已经慢慢进入应用。本文主要介绍了　ＬＥＤ照明的原理、优点、相关术语，发展现状和前景等方面进行了介绍。　关键词：ＬＥＤ（发光二极管）；照明；ＬＥＤ照明　中图分类号：ＴＮ３１２．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—８３２０（２０１３）０９—００８６—０２　ＬＥＤ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｚＨＡＮＧ　Ｌ江ｈｕａ　（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｂａｉ　Ｈｏｎｇｆｌ￣．ｅｓ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ＂ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ　７１００７５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＬＥＤ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｄｉｏｄｅ）ａｓ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒｔｈ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｌｉｇｈｔ　ｓｏｕｒｃｅ，ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｏｗｎ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ，ｌｉｇｈｔ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｄ—　ｖａｎｔａｇｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｌｏｗｌｙ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ＬＥＤ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｅｒｍｓ，　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｅｎｔａ　ｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ（１ｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）；ｌｉｇｈｔｉｎ￣ＬＥＤ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔｉｎｇ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）照明即是发光二极管照明，　危害人体健康的汞，这些光源的生产过程中和废弃以后都会　它是一种固体半导体发光器件。ＬＥＤ以固体半导体芯片作为　对环境造成污染。ＬＥＤ则没有这些问题，其发光颜色纯正，不　发光材料，利用载流子与空穴在半导体中发生复合并放出过　含有紫外和红外的辐射，是一种“清洁”的光源。　剩的能量而引起光子发射，可直接发出红、黄、蓝、绿　青、橙、　（４）结构牢固：ＬＥＤ是用环氧树脂封装的固态光源，其结　紫、白色的光。ＬＥＤ照明产品就是采用ＬＥＤ作为光源制造出　构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件。ＬＥＤ是一种全固体结　来的照明器具。　构，因此能够经受住振动、冲击而不致引起损坏。　２００９年主流光源及其灯具的各项指标值，如表１所示。　１　ＬＥＤ照明原理　表１　２００９年主流光源及其灯具的各项指标值　ＬＥＤ是由Ⅲ一Ⅳ族化合物，如ＧａＡｓ（砷化镓）、ＧａＰ（磷化　镓）、ＧａＡｓＰ（磷砷化镓）等半导体材料制成的，其核心是ＰＮ　结，因此它具有一般Ｐ—Ｎ结的Ｉ－Ｎ特性，即正向导通，反向截　止、击穿等特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在　正向电压下，电子由Ｎ区注入Ｐ区，空穴由Ｐ区注入Ｎ区。进　入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）　复合而发光。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在　靠近ＰＮ结面数　ｍ以内产生。　２　ＬＥＤ照明的优点　ＬＥＤ光源是继白炽灯、钠灯、荧光灯之后的第四代新型光　源，它作为光源具有以下主要优势：　（１）寿命长：普通白炽灯的寿命约为ｌＯ００ｈ，荧光灯、金属　卤化物灯的寿命不会超过１万ｈ，而ＬＥＤ灯理论上为１０万　ｈ，一般大于５万ｈ。　（２）节能：目前白光照明灯具的出光效率已经达到９０　ｌｒｎ，Ｗ，超过了普通白炽灯的水平，业内预测到２０１５年将达到　１５０—２００１ｍ／Ｗ，远远超过了现在所有照明光源的出光效率。　３　专业术语　（３）环保：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中都含有　（１）波长：光的色彩强弱变化通过数据来描述，这种数据　收稿日期：２０１３—０７—１０　叫波长。我们能见到的光的波长，范围在３８０—７８０ｎｍ之间。单　作者简介：张立华（１９８４一），女，陕西凤翔人，大学本科，助理工　程师，从事ＬＥＤ照明灯具的结构设计、散热设计等工　位：纳米（ｎｍ）。　作。　（２）光通量：光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位：　第４０卷第９期　张立华：ＬＥＤ半导体照明概述　流明（Ｌｍ）。　（６）便携灯具：手电筒、头灯、矿工灯、潜水灯、航标灯等。　（７）投影光源：投影仪用ＲＧＢ光源。　（３）光效：光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量　光源节能的重要指标。单位：每瓦流明（Ｌｍ／Ｗ）。　（４）亮度：亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的　发光强度。单位：尼特（ｎｉｔ）。　（５）光强：指光源的明亮程度。也即表示光源在一定方向　５发展现状　在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是　我们未来面临的重要问题，在照明领域，ＬＥＤ照明产品作为一　种新型的绿色光源，必然是未来发展的趋势，２１世纪将进入　和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。单位：烛光（ｃｄ）。　（６）显色性：光源对物体呈现的程度，也就是颜色的逼真程　度。通常叫做“显色指数”单位：Ｒａ；太阳光的显色指数为１００。　以ＬＥＤ为代表的新型照明光源时代。中国ＬＥＤ产业起步于　２０世纪７Ｏ年代。　经过３０多年的发展，中国ＬＥＤ产业链已初　步形成，上游包括ＬＥＤ衬底材料、ＬＥＤ外延片的生产和ＬＥＤ　（７）色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光　色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。单位：开尔文（ｋ）。　（８）眩光：视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，　所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要　因素。　（９）同步性：两个或两个以上ＬＥＤ灯在不规定时间内能　正常按程序设定的方式运行，一般指内控方式的ＬＥＤ灯，同　步性是ＬＥＤ灯实现协调变化的基本要求。　（１０）防护等级：ＩＰ防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之　特性加以分级，由两个数字所组成，第一个数字代表灯具防　尘、防止外物侵入的等级（分０－６级），第二个数字代表灯具防　湿气、防水侵入的密封程度（分０—８级），数字越大表示其防护　等级越高。　４　ＬＥＤ照明应用　２Ｏ世纪６０年代初，出现了利用半导体ＰＮ结发光源原理　制成的ＬＥＤ光源，１９６４年首先出现红色ＬＥＤ，之后出现黄色　ＥＬＤ，直到１９９４年蓝色、绿色ＬＥＤ才研制成功。１９９６年由日本　Ｎｉｃｈｉａ公司（日亚）成功开发出白色ＬＥＤ。ＬＥＤ以其固有的特　点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛　应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日　常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾　灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，　无法作为通用光源推广应用。　近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，　ＬＥＤ制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的　开发和应用，各种颜色的超高亮度ＬＥＤ取得了突破性进展，　其发光效率提高了近１０００倍，色度方面已实现了可见光波段　的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光ＬＥＤ的出现，使　ＬＥＤ应用领域跨越至高效率照明光源市场，主要体现在以下　几个方面：　（１）景观灯、装饰灯：由于ＬＥＤ尺寸小，便于动态的亮度　和颜色控制，因此广泛应用于景观、建筑装饰照明、例如串串　灯、跑马灯、洗墙灯、投光灯、泛光灯、水底灯等。　（２）背光照明：普通电子设备功能显示背光源、笔记本电　脑背光源、大尺寸超大尺寸ＬＣＤ显示器背光源等，ＬＥＤ作为　手机显示的背光源是ＬＥＤ应用最广泛的领域。　（３）道路照明：太阳能庭院灯、太阳能路灯；市电路灯、隧　道灯，庭院灯等，其主要光源是高亮度的白光ＬＥＤ。　（４）室内照明：ＬＥＤ灯泡、ＬＥＤ格栅灯、ＬＥＤ灯管和ＬＥＤ　台灯等等。　（５）汽车用灯：高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯等。　芯片的制备，中游为ＬＥＤ芯片的封装，下游主要是ＬＥＤ产品　应用。但是ＬＥＤ的上游衬底、外延片、芯片成熟技术几乎完全　在外资巨头手中。中国发展得比较快的ＬＥＤ企业很多：雷士　照明、长方照明。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了　上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体　照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区　则成为中国ＬＥＤ产业发展的聚集地。　目前，中国半导体照明产业发展较好，外延芯片企业的发　展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得　较大进展。２００７年中国ＬＥＤ应用产品产值已超过３００亿元，　已成为ＬＥＤ全彩显示屏、太阳能ＬＥＤ、景观照明等应用产品　世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。　国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，　已有上百家ＬＥＤ路灯企业并建设了几十条示范道路，但在室　内通用照明市场方面仍显落后。　２００８年北京奥运会对ＬＥＤ照明的集中展示让人们对　ＬＥＤ有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发　展。当前中国半导体产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一　步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水　平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或　逐步通过研发突破核心专利。　６　照明应用中存在的主要问题　近年来，ＬＥＤ的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已　达到白炽灯的水平，景观灯采用的白色ＬＥＤ发光效率接近荧　光灯的水平，并在稳步增长中。但是，在照明普及应用方面仍　存在以下一些问题：　（１）光通量有待进一步提高。采用ＬＥＤ作为照明光源，必　须可以发出更多的光，必须具有更高的能量效率。　（２）ＬＥＤ发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有　非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光ＬＥＤ　发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视　觉不太自然。　（３）价格较高。目前价格是影响ＬＥＤ照明普及的主要原　因。但是，近年来出于晶片技术的改良，制造成本正在急剧下　降，近三年来ＬＥＤ的价格下降了近５０％，其正朝着高效率、低　成本的方向发展，这为ＬＥＤ在照明领域的应用提供了有利条　件。此外，较好的性价比也可以弥补成本价格方面的不足。　总之，随着国内ＬＥＤ半导体照明企业技术的提高和生产　成本的降低，ＬＥＤ半导体照明将给中国照明行业带来革命性　的冲击，为广大消费者带来光明的福音。