1、概述ＬＥＤ利用固體半導體芯片作為發光材料，當兩端加上正向電壓時，半導體中的載流子發生復合，釋放出過剩的能量引起光子發射而產生可見光。近年來，ＬＥＤ得到了快速發展，部分產品已進入了商用階段，為室內外照明光源帶來革命性變化。２０世紀６０年代初，人們就已經掌握了半導體材料可以產生光線的方法：加正向偏壓的砷化鎵面結型二極管可作為輻射光源。１９６４年，利用ＧａＡｓＰ材料，研制出紅色發光二極管（λｐ＝６５０ｎ ｍ），光效為０．１ｌｍ/Ｗ，在驅動電流為２０ｍＡ時，光通量只有千分之幾流明。到了上世紀70年代，研制出綠光（λｐ＝５５０ｎｍ）、黃光（λｐ＝５９０ｎｍ）和橙光（λｐ＝６１０ｎｍ）的ＬＥＤ，光效達到１ｌｍ/Ｗ。單色ＬＥＤ的蓬勃發展，使它在大屏幕顯示、交通信號燈、儀表儀器顯示等領域得到廣泛應用。但遺憾的是實現全色顯示的藍光還未突破。上世紀８０年代初，研制出ＧａＡＩＡｓ的ＬＥＤ，使得紅色ＬＥＤ的光效達到１０ｌｍ/Ｗ。１９９４年，開發出氮化鎵基藍色和綠色發光二極管，根據三基色合成原理，使全色顯示和半導體照明成為可能。對于一般照明而言，人們更需要白色光源。１９９６年，日本日亞公司率先開發出白色發光二極管，為ＬＥＤ廣泛進入照明領域帶來了無限希望，成為ＬＥＤ照明發展史上的一個里程碑。經過近幾年的發展，彩色ＬＥＤ的光效等性能已經得到進一步的提高，使得其在裝飾照明等領域得到了廣泛的推廣和應用。幾種彩色LED的主要特性如表1所示。目前，白光ＬＥＤ的光效還不高，但發展很快。據相關資料介紹：１９９９年日本研制出光效達到１５ｌｍ/Ｗ的LED；２００１年美國研制出光效達到４０～５０ｌｍ/Ｗ的LED，甚至超過了白熾燈和鹵鎢燈，接近熒光燈光效。單個ＬＥＤ功率也不夠大，僅有１Ｗ多，還不能廣泛用于室內外照明，但彩光ＬＥＤ在裝飾照明領域的應用已經成熟。專家認為：白光ＬＥＤ的光效只有達到５０ｌｍ/Ｗ以上，并且提升單只白光ＬＥＤ的功率，才能真正在照明領域得到廣泛應用。目前，白光ＬＥＤ正朝著高光效、高亮度、高功率、高顯色指數的方向發展。目前，世界各國主要致力于白光ＬＥＤ的研制和開發，在不久的將來，白光ＬＥＤ的光效有望達到１００ｌｍ/Ｗ，甚至提升到２００ｌｍ/Ｗ以上，那時，ＬＥＤ將在照明光源領域占有主導地位。2、ＬＥＤ的結構和工作原理ＬＥＤ主要由ＰＮ結芯片、電極、光學系統及附件等組成。ＬＥＤ的發光體叫晶片，其面積為１０．１２ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝０．０２５４ｍｍ２）。在潔凈的環氧樹脂中，封裝半導體晶片。在半導體的ＰＮ結的Ｐ型端加正電壓，空穴就會流向Ｎ型端，電子則由Ｎ型端流向Ｐ型端。當電子通過晶片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區域，空穴和電子可以直接結合，在結合的過程中，能量以光的形式釋放出光子，這就是ＬＥＤ的發光原理。另外，有些ＬＥＤ中的電子加速后在撞擊、游離化過程中也可釋放出能量而發光。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產生的光子能量就越高。傳統的發光二極管大多是利用砷化鎵（ＧａＡｓ）、磷化鎵（ＧａＰ）或它們的組合晶體（ＧａＡｓＰ）等ＩＩＩ－Ｖ族的半導體構成。ＬＥＤ的顏色和發光效率等光學性能與半導體材料及其加工工藝有關。在Ｐ型材料和Ｎ型材料中摻入不同的雜質，就可以得到不同的單一波長的ＬＥＤ發光二極管，同時電氣性能也會有所不同。根據光學原理，白光由連續光譜組成，因此，不可能制出直接發出連續光譜的單只白光ＬＥＤ。在照明領域，應用最為廣泛的是白光，因此，白光ＬＥＤ的研制和技術進步，關系到ＬＥＤ在照明領域的應用和推廣。單個ＬＥＤ發光二極管的光學系統包括平行發射器、偏振片、透光罩等。光學系統可以使ＬＥＤ的光束以平行光或一定的光束角發射出去（如圖1所示）。因此，改變封殼圓頂的幾何形狀，就可以改變ＬＥＤ的光束角。白光ＬＥＤ可以由一只ＬＥＤ產生的2種或3種單色光合成，也可以由幾只單色光ＬＥＤ混裝在一起，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主要有三種發光方式： （1）在４６０ｎｍ波長的ＩｎＧａＮ藍光晶粒上涂一層ＹＡＧ熒光物質，利用藍光ＬＥＤ照射此熒光物質，可以產生５５５ｎｍ波長的黃光，再利用透鏡原理把可以互補的藍光、黃光混合，就可以發射出白光（如圖2所示）。但光譜中藍色光譜較強，缺少紅色光譜，顯色指數Ｒａ才達到７０。這是目前應用最為廣泛的白光ＬＥＤ制作原理。 （2）經紫外芯片激發ＲＧＢ三基色熒光粉，其發光機理與三基色熒光燈相似。改變熒光粉的成分比例，就可以得到各種色溫的白光，顯色性較好。 （3）把ＲＧＢ三基色芯片封裝在一起，改變三者的發光強度比例，就可以得到任意色溫的白光（如圖3所示），但產品質量不易控制。產品性能一致性較差，易受環境影響。“圖4、圖5”表示一種白光ＬＥＤ構造和發光示意圖：把ＧａＮ芯片和釔鋁石榴石熒光粉（ＹＡＧ）封裝在一起，藍光ＬＥＤ基片安裝在碗形的反射腔中，基片上覆蓋著混有ＹＡＧ熒光粉的樹脂薄層。通電后，ＧａＮ芯片發藍光（λＰ＝４５６ｎｍ，Ｗｄ＝３０ＮＭ）。一部分藍光激發ＹＡＧ熒光粉后發出黃色光，一部分藍光與黃色光混合，就得到了白光。對于ＩｎＧａＮ/ＹＡＧ白色ＬＥＤ，通過改變ＹＡＧ熒光粉的化學組成和調節熒光粉的厚度，就能夠得到３５００～１００００Ｋ的各色白光。3 ＬＥＤ的性能3.1 發光效率高并有極大的提升空間單色ＬＥＤ光效已經達到１００ｌｍ/Ｗ左右，與目前光效最高的鈉燈、金鹵燈相當。目前白光ＬＥＤ光效雖然只有１５～５０ｌｍ/Ｗ，但已經超越白熾燈、鹵鎢燈光效，接近日光燈光效。專家預測，在照明領域最有應用前景的白光ＬＥＤ的發光效率，還有極大的提升空間。將會在照明光源領域掀起一場革命。3.2 響應時間短白熾燈的響應時間以毫秒計，ＬＥＤ的響應時間則以納秒計。這一特性使得作為整體裝飾照明的ＬＥＤ能在瞬間一致改變顏色，達到夢幻效果。3.3 省電節能ＬＥＤ電源電壓直流６～１２Ｖ，單管功率０．０３～０．０６Ｗ，電流１５～１８ｍＡ。在同樣照明效果下，耗電量是白熾燈的１/８、熒光燈的１/２。如利用ＬＥＤ更換現有白熾燈和熒光燈，會獲得十分可觀的經濟效益。在ＬＥＤ光效進一步提高后，節能效果會更加顯著。3.4 使用壽命長ＬＥＤ體積小、反應速度快、重量輕，環氧樹脂封裝，堅固耐用，平均壽命１０萬小時，可以使用５～１０年。易于隱蔽安裝，同時維護量小，維護費用低。3.5 應用靈活可以作成點、線、面等各種形式的發光產品。3.6 光束具有方向性每只ＬＥＤ燈管的光束都可以控制，具有一定的方向性。無眩光且光線柔和，內置微處理系統可以控制發光強度，調整發光方式。3.7 顏色可變ＬＥＤ的光色可以隨電流大小而改變。ＬＥＤ可以方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅、黃、綠、藍、橙、紫等多色發光。這個特性在裝飾照明中非常實用。3.8 安全可靠無污染ＬＥＤ工作電壓低，使用安全，尤其適用于公共場所。因為其屬于冷光源，工作時發熱量低，無紅外和紫外輻射。ＬＥＤ無汞、鈉等危害人身健康的金屬元素，是一種真正的綠色照明光源。4 ＬＥＤ亟待解決的問題雖然ＬＥＤ具有諸多優異的性能，但仍然存在著一些亟待解決的問題。（1）提高白光ＬＥＤ的光效使單只白光ＬＥＤ光效盡快從目前的５０ｌｍ/Ｗ以下提升到１００ｌｍ/Ｗ以上，以獲得更多的節能經濟效益；（2）提高單只ＬＥＤ的功率目前應用的ＬＥＤ，單只功率一般在１Ｗ以下，需要多只ＬＥＤ組合后才能滿足裝飾照明、交通信號照明等需要。要真正使ＬＥＤ廣泛用于照明領域，必須提高單只白光ＬＥＤ的功率。尤其在室外照明中，普遍使用大功率光源，得到較高的光通量。因此，ＬＥＤ要真正進入照明領域，尤其進入室外照明領域，還有很長的路要走。（3）提高白光ＬＥＤ的顯色性白光ＬＥＤ發出的光與自然光相比，仍有一定的差距。白光ＬＥＤ發出的光含有藍色光的成分，給人的視覺產生不自然的感覺。白熾燈光中，含有較強的黃色光成分，給人以溫暖的感覺。因此，進一步提高白光ＬＥＤ的顯色指數，減少白光中的藍色成分，適當增加黃色成分，是今后提高白光ＬＥＤ發光質量的重要課題之一。（4）降低價格降低ＬＥＤ的價格，也是必須解決的一個問題。目前使用的各種ＬＥＤ裝飾燈、標志燈、交通信號燈等，都是由多只ＬＥＤ組合再配上附件、燈具而制成。一套ＬＥＤ照明燈的價格，是一套同等照明效果的普通照明燈的幾倍，很難被廣大消費者接受。白光LED的現狀及改進方法如表3所示。5 ＬＥＤ的應用目前，彩色ＬＥＤ產品的光譜，已經覆蓋了整個可見光的光譜范圍，并且以光效高、色彩純正、亮度高、方向性好、顏色可變等優異的性能，廣泛用于裝飾照明和信號標志的各個領域。而白光ＬＥＤ的技術性能還有待進一步提高，所以白光ＬＥＤ在室內、室外照明中還沒有得到廣泛應用，但專家預計：根據現今ＬＥＤ技術飛躍發展的態勢，白光ＬＥＤ有望在不久的將來，成為與白熾燈、熒光燈、氣體放電燈共同爭霸的新一代占主導地位的照明光源。ＬＥＤ有兩種外接電源方式：一種是ＬＥＤ與其他高等級電子元器件連成可靠的發光線路，直接連接在ＡＣ２２０Ｖ的工作電源上；另一種是通過變壓器把ＬＥＤ發光線路板制成低壓直流工作電源，再供給ＬＥＤ使用。 5.1 ＬＥＤ應用的構成形式（1）利用單只超高亮ＬＥＤ，根據需要組成各種線條、圖形、文字等。在建筑物輪廓、市政設施、內透光、室內外裝飾照明等地方應用；（2）利用單只超高亮ＬＥＤ，集合組裝成點光源，然后把這些點光源組成標志、文字、線條、圖案等；（3）把多只ＬＥＤ制成燈泡，在景觀裝飾和廣告圖案等照明中使用；（4）以ＬＥＤ為光源，制成各種照明燈或裝飾燈，如泛光燈、信號燈、水下燈、地埋燈、草坪燈、壁燈、ＰＡＲ燈、射燈、發光面磚、室內射燈等；（5）以１條或幾條ＬＥＤ為光源，外罩ＰＣ管或ＰＭＭＡ、玻璃管、ＰＶＣ管等，制成欄桿燈、輪廓燈、彩虹管等。有的燈管具有彎曲或有折光性能。這種ＬＥＤ燈常用于橋梁欄桿裝飾和建筑物輪廓裝飾照明；（6）利用ＬＥＤ為點光源，制成串燈、網燈等；（7）以ＬＥＤ為光源制成發光板，鋪在廣場或舞臺上，能取得很好的觀賞效果；（8）以ＬＥＤ為光源，制成顯示屏、標志、廣告、發光柱等；（9）以ＬＥＤ為光源，制成臺燈、汽車轉向燈等，用于生活照明或局部照明；（10）以ＬＥＤ作為儀表、儀器的背光源。在室外照明中應用的各種ＬＥＤ必須配套安裝有關器件、防護玻璃、防護管或燈具等，滿足相應場所的裝飾照明要求。在室外地面以上安裝時，建議防護等級不小于ＩＰ６５；在水下安裝時，建議防護等級不小于ＩＰ６７。目前，一些廠家根據市場需求，把ＬＥＤ制成多種模塊，可以方便地制出各領域需要的產品（如表4所示）。5.2 LED應用領域（1）交通信號燈在我國的大中城市，已經普遍采用ＬＥＤ交通信號燈取代白熾燈交通信號燈，取得很好的效果。ＬＥＤ交通信號燈節能省電、亮度高、色彩純正，接近平行光束，不易造成假顯示，使用壽命長，燈具造型美觀，是交通信號照明的發展和推廣方向。（2）標志廣告照明廣告和標志使用ＬＥＤ作為光源，醒目節電，利用ＬＥＤ做成的圖形和文字，可以產生色彩漸變、追逐等變化，成為城市夜晚燈光環境中的新亮點。（3）景觀照明在建筑物立面照明中，可以用ＬＥＤ進行輪廓照明。在商業建筑門面、旅游景點、名勝古跡、休閑娛樂等場所的裝飾照明中，ＬＥＤ以色彩艷麗、變化奇妙而受到歡迎和重視。（4）市政公用設施裝飾照明ＬＥＤ作為各種市政公用設施裝飾照明燈的光源，得到了廣泛應用：欄桿燈、埋地燈、草坪燈、庭院燈、水下燈、椰樹燈、禮花燈、發光柱等在許多城市都隨處可見。尤其是裝飾性欄桿燈和水下燈等，可以變幻色彩，給市政公用設施裝飾照明增添了很多觀賞情趣。（5）大屏幕顯示高亮度ＬＥＤ產生的紅、綠、藍三原色光，可以組成彩色大屏幕顯示屏。在一些大型公共場所，如廣場、車站、金融證券廳室、體育場館等，LED顯示屏成為極好的信息顯示載體。（6）汽車照明如今汽車逐漸進入百姓家庭，LED作為汽車的尾燈、轉向燈、側燈及車內儀表盤的照明光源，ＬＥＤ的作用更加廣泛。（7）背光源現代眾多的儀表、儀器、手機、電腦等產品，都使用ＬＥＤ作為背光源，大大地開拓了ＬＥＤ的使用領域。（8）特殊照明和軍事照明在許多條件惡劣的工礦領域，如礦山、野外作業等，ＬＥＤ以其密封性、抗震性、防爆性、耐侯性、低壓無輻射、便于攜帶等優勢，得到了廣泛應用。（9）其他照明安全低電壓、抗震、亮麗的性能優勢使LED在玩具、禮品、工藝品等制品中得到廣泛應用。
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