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LED的結構、性能及應用

    作者:宏拓新軟件
    發布日期:2008-08-27         
閱讀:67     
 
 

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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