20世紀中葉出現在市場上的第一批LED發光二極管，經過近50年歷程，技術上已經取得長足的進步。發光效率達到每瓦15流明，光強達到燭光級，輻射顏色形成包括白色光的多元化色彩、壽命達數萬小時，成為光學光電子新興產業中極具影響的新 產品,在顯示技術領域中占有基特殊的舉足輕重的一席之地。我國現代電子工業正在進一步樹立發展規模市場經濟的理念。在首選光子器件等５種新型電子元件發展規劃時，考慮以國民經濟現代化和信息化為目標，實現產品專業化和擴大出口創匯能力，ＬＥＤ產業被選擇為光電子器件發展中的重點，同時認為它在產值、產量、規模效應等諸方面應占有其應有的地位。雖然，目前ＬＥＤ在光電市場僅占有很小的份額但它的發展勢頭、其巨大的市場潛力不可低估，國內外越來越多的企業參與這場競爭勢在必行。 為了更有利于我國參與這一競爭,尤其是面臨既將加入WTO的形勢,如何客觀地了解LED光源研制狀和發展趨勢,充分剖析國際 市場各國參與ＬＥＤ光源市場競爭的動態，是我們決策的重要依據。為此特撰寫本文與有關人士商榷和探討，愿有助于我國ＬＥＤ光源產業的崛起和興旺。
LED光源的研制成果
LED原理是在半導體P-n結處流過正向電流時，能以高的轉換效率輻射出200-1550m范圍包括紫外、紅外和可見光譜，從而形成一個實用的發光元件。目前可見光（380-780nm）的LED產量以90%的優勢占主導地位。
LED以體積小（最小僅幾毫米）、壽命長（幾萬小時）、功耗低（mW）、可靠性高、響應速度快（us級）、易與集成電路配用、可在低電位（幾伏電壓）下工作及易實現固體化，以及輻射光譜豐富、光效和亮度高等優點，在照明和顯示領域引起人們的極大興趣和重視。要具體分析LED科研進展，我們可先回顧一下半導體工業的發展歷史。人們一般將Si、Ge稱為第一代電子材料，而將GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等稱為第二代電子材料，寬禁帶（Eg>2、3eV）半導體材料近年來發展十分迅速，成為第三代電子材料，主要包括SiC、ZnSe、金剛石和CaN等。寬禁帶半導體材料具有禁帶寬大,電子漂移飽和速度高介點常數小,導熱性能好等優點,非常適于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成電子器件；而利用其特有的禁帶寬度，還可制作藍、綠光和紫外光的發光器件和光探測器件。再寬禁帶半導體材料中，SiC和ZnSe在相當長的一段時間內一直是研究和開發的重點，盡管SiC為間接帶隙材料,其藍色LEDs的發光亮度很低,但SiC藍光LEDs在CaN藍光LEDs實現商品化之前仍是唯一的商品化的藍光LEDs產品；而ZnSe材料由于可實現藍光LEDs（壽命約為幾個小時），更是世界各大公司和研究機構的掌上明珠。
GaN材料由于受到沒有合適的單晶襯底材料、位錯密度太大、n性本底濃度太高和無法實現P型摻雜等問題的困擾,曾被沒有認為是一種希望的材料，因而發展十分緩慢。進入90年代之后，隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發展和完善，GaN基器件的發展十分迅速，目前已成為寬帶隙半導體中一顆十分耀眼的新星。
首先是在藍、綠光發光器件領域取得重大突破。1989年，Nichia公司每年投入300多萬美元用于開發GaN基藍光LEDs,并很 快結出碩果。1991年Nichia公司Nakamura等人首先以藍寶石為襯底，研制成摻Mg的GaN同質結藍光LEDs,1993年將藍光發光亮度提高到lcd1995年達到2cd，并于同年實現綠光LEDs商品化,其亮度達到6cd。1995年11月,在材料研究會(MRS)主辦的第一屆GaN及其關材料國際學術會議中， Nakamura展示了用于交通信號燈的LEDs，引起全世界的重視。1997年Nichia公司研制成功連續波工作壽命超過10000h的藍光LEDs，更引起全世界的關注。在電子器件領域，UCSB大學研制的GaN,MODFET的施主層厚度僅有20nm,減小了器件的輸入電容,使得0.2um柵長器件的fsubT達到50GHz,在10GHz工作下的功率密度為1.7W/mm器件性能超過用其他材料制作的HFET。南卡羅來納州大學等以SiC為襯底研制的HFET的跨導體為142mS/mm，室溫下的功率耗散為0、6MW/cm ，比以藍寶石為襯底的同類器件高3倍。
APA光學公司在1998年初推出世界上第一個商品化的GaN基UV探測器系列。與傳統Si探測器相比，GaN探測器在可見光范圍內的工作要有效得多，且可在300度的高溫環境中工作。 隨著藍、綠光LEDs實現商品化，目前開發GaN器件的焦點更多的集中在實現藍光LEDs上。世界各大公司和研究機構都投巨 資加入到GaN藍光LEDs的開發中，力爭最遲到2000年實現藍光LEDs商品化。
隨著國內外半導體工業的發展和開拓，新工藝、新技術伴隨著發光機制理論的進展也不斷取得新成就，各種顏色的超高亮度 （20ma、法向光強1000mcd）LED取得突破性進展，并迅速實現產業化。LED光效較初始產品提高1000倍、達到50lm/W,光色已實現可見光波段的所有顏色,包括白色LED光源的研究已獲得可喜的成果和優異的性能，引起科技界和產業界的極大關注，被認為是21世紀最有價值的新光源。
LED照明光源的應用前景
近年來LED在高亮度化和多色化方面取得了突出進展，使人們看到LED發光效率已超過白熾燈，而且得到了超高亮度的日光色。人們紛紛預測LED將成為21世紀的照明光源。家用照明所需的是近于日光色的LED光源,這已成為世界各地燈具、光源研究機構競相開發、努力獲取的技術目標。目前已有幾家著名公司先后推出此類光源樣品。日本Nichia公司在1998年推出白光LED樣品，雖然光效僅為7lm/W，但色溫達到6000- 6500K，顯色指數85，已接近日光參數。日本通商產業省在1998年投資50億日元啟動國家項目“21世紀的照明”,在世界率先開展日光色LEDs作為 照明光源實用化的研究,該發展計劃將產生更加適應市場需要的LED照明設備,計劃從2005年起,逐步取代白熾燈和熒光燈。同時,歐洲的Philips、Osram、Siemens等多家公司也全力角逐這一市場。業內人士預計2005-2010年全球LED照明市場規模將逾10億美元。
太陽能與電光源 根據太陽能供電的特點及電光源技術的發展狀況，在采用單燈照明的場所，可按燈的功率大小來選擇不同類型的光源。
1、50W以上的室辦照明可采用小功率金鹵燈，其規格有50W、75W、100W、150W，光效大于80lm/W。
2、20-50W范圍的宜采用T5型直管熒光燈，其規格有21W、28W、35W、49W，光效大于90lm/W。
3、功率在10-20W之間的宜采用T4型直管熒光燈，其規格有12W、16W、20W、光效大于60lm/W。4、10W以下低瓦數的光源宜采用T2或T1型熒光燈，光效約50lm/W。
在太陽能電源推廣應用上，與其相適應的電光源中，20W以下的小功率金鹵燈尚在研制，而商品化的半導體發光器件（LED的光效還很低，成本也相對的過高。為此采用低壓直流供電的小功率稀土節能燈代替5-60W的白熾燈較為適宜
LED潛在發展的方向
LED已被大多數人認識，也被多數人看好，認為是21世紀新一代的照明光源。據目前預測到2010年左右，可能光效接近50lm/W，所以被炒作得沸沸揚揚。然而，它畢竟單顆功率在0.1W左右，所以發出的光通量極為有限。就目前來說必須將許多個LED 整合在一起才能做成"新的光源"取代白熾燈或緊湊型熒光燈，做成臺燈、壁燈等燈具，這些實例已經不少。但高昂的價格，實 難推廣，到達有合理的性價比的年代看來還要等上一段時間。
那么除了目前大量用于交通信號燈，應急燈以外，是否還有什么非它莫屬的功能呢？美國LD+A今年7月刊登了一則消息：利用LED的控制電壓很低和控制方法簡單的優點，將它裝在室內天棚中或做成大型燈飾，通過電腦輸出信號直接驅動三極管后控制它的開關狀態。由于使用了電腦，再多的LED數量也能方便自如地控制，得到明暗可變顏色可變絢麗多彩的照明效果,并且已有成功的案例。例如在美國"雨林咖啡廳"上做了一個色彩變幻的彩色天棚，在Hollywood賭場做了一盞色彩斑斕的大型藝術吊燈。當然，將許多個LED拼在一起做成一盞盞燈后做成標志牌，標志線也是目前常見的應用手法。英國千禧宮高達100米的支撐柱頂部的每只紅色航空障礙燈就有1萬多顆紅色LED組成。
白色發光二極管可望取代白熾燈
電燈照明，一經推廣，就存在著一些缺陷。白熾燈效率低，加熱鎢絲和燈泡玻璃耗能太多。而且，燈泡容易燒壞，換燈泡時又有一定的危險，要登高，還容易觸電。熒光燈是后起之秀，節電節能效果不錯，但對人的視力有傷害，也易碎，燈管內還含有對人體和環境有害的汞。 據英國《新科學家》雜志透露，相信不久的將來，傳統的燈泡和燈管將被白色發光二極管取代。早在3年前，已經制造出了首只白色發光二極管。現在，美國波士頓大學光學研究中心的工程師弗雷德.舒伯特,研制出了一種更明亮，更高效的白色發光二極管。最早研制的發光二極管，只能發出紅色的光，用作電子設備中的指示燈。后來，能發出黃色綠色和藍色光的發光二極管相繼問世，作為交通信號燈，各國多有應用。白色發光二極管的基礎是藍色發光二極管。藍色發光二極管是由鋁、銦和氮化合物制成的。當它發出的藍光射到由鋁、銦和磷化合物組成的結構層時,又會產生橙色光。而橙光和藍光混合后，在人眼看來就是白色光。舒伯特說，他研制的白色發光二極管,其發光強度分別是熒光燈和白熾燈的4-6倍和15-30倍。發光面積小于1平方厘米的白色發光二極管，能發出相當于60瓦燈泡發出的光,而前者的功率只有3瓦。如果用它來替換全美國的照明燈泡，那么盡管每年照明方面的電耗以3%的比率增加，但單個燈泡的耗電量大幅度下降了。
白色發光二極管的另一大優點是不易燃燒，壽命很長。據統計，白熾燈的平均壽命為1000-1500小時，質量最好的熒光燈管最多只能使用5萬小時，這就是說，如果每天開燈10小時，可以使用15年。
當然，燈泡從日常生活中消失還有相當長的時間。現在能制造出的白色發光二極管還很小，充其量只能用在手電筒內。盡管發明者聲稱增大尺寸并不困難，但還得有一定的過程。另外,由于白色發光二極管發出的白光只是一種混合光，藍色和橙色成分比例不同，就會發出不同色調的白光，就像現在的熒光燈一樣,有明亮白光的、偏藍色光的及乳白色光的，當然，它們都接近白天自然光的色調。所有這些，都是急待研究的內容。 稀土蓄光型微光照明光源大連路明發光科技股份有限公司研究開發的長余輝磷光體-蓄光型稀土發光材料新一代綠色、藍綠色長余輝磷光體，其發光、余輝時間均超過ZnS型和SrS型長余輝磷光體，由大連路明發光科技股份有限公司在由上海市照明學會召開的新一代綠色環保光源《稀土蓄光型自發光消防安全標志及系統應用技術推廣會》上展示了這一成果。 這種產品是利用可見光激發的超長余輝蓄光性熒光粉制品，可取代傳統應急照明的自發光消防安全標志。它無需用電，只需在白天或燈光下自然光照，僅照射30多分鐘，便能儲存足夠的激發能量,在黑暗環境中持續發光暗處自動發光，具有環保、節能、經濟、安全等性能,其在國內外的建筑裝潢、消防安全、鐵路、公路、劇院、商廈、工藝美術等眾多領域得到了廣泛的應用。
綠色照明中的電感鎮流器90年代初，美國曾經有人建議禁止生產電感鎮流器，并要求所有的鎮流器都改為電子式，但沒有得到批準。相反，到1998年，該國鎮流器年產量中電感鎮流器占2/3，產品全部都是節能型的。國內大量的電感鎮流器仍是30年代以來與熒光燈配套的傳統型老產品，其性能穩定，價格便宜，但功率損耗大。從我國的國情出發，如果把傳統電感鎮流器更新為節能型的,將會取得可觀的節能效果，而且技術上、經濟上皆是可行的。 根據市場信息，國內鎮流器近年的銷售量平均約8000萬只。其中，電感鎮流器占90%。倘若有半數電感鎮流器改用節能型，按40W熒光燈計算，每只省4W，年用電2500小時，可節省3.6億度電。電感鎮流器通常是一只帶有導磁材料的限流線圈，它與啟輝器配合工作。傳統鎮流器以少量的元件，巧妙地完成了合理的點燈程序,它結構簡單，可靠耐用，價格低廉，功率因數可以外加補償，若配用優質的啟輝器，燈管的平均壽命可以達到10000小時以上。
由于電感鎮流器有其獨特的優點及誘人的實用價值，世界各國對其不斷改進，并且開發了節能型產品。荷蘭飛利浦公司推出35W熒光燈低損耗僅5W。美國鎮流器制造廠商早在1990年就全部生產節能型電感鎮流器。電子鎮流器含有較高的諧波量，三次諧波占基波30%以上，需要增加諧波濾波裝置使之符合規范。另外，因為它零序分量，會使中性線過載而發生事故。輸入電流諧波含量不借助專門儀器，一般用戶無法測量，這是使用電子鎮流器需要特別注意的。而電感鎮流器相當于帶鐵芯的電感線圈,屬于線性電路，只要合理選擇鐵芯及其磁通密度，三次諧波含量極小，一般此問題可不予考慮。電子鎮流器具有高光效、低頻閃低廉，節能效果顯著，與普通的燈管兼容性強，且易于組織生產，較適合我國的經濟發展和消費水平。可以說,提倡和開發節能型電感鎮流器順應綠色照明工程發展的潮流，即實現環保節能又可以節省投資，是利國利民之計。 |
