LED半导体照明的发展与应用

全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。 每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%~15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。虽然半导体照明事业才刚刚起步，照明用LED还有很多问题要解决，但是，随著化合物半导体技术的迅猛突破和封装技术的不断提高，LED在照明领域的应用开始形成并逐步扩大。现阶段LED的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈。目前LED的应用领域主要集中在信号指示、智能显示、汽车灯具、景观照明和特殊照明等。

2003年6月17日，由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”。从协调领导小组成立起，到2005年年底之前的这段时间将是半导体照明工程项目的紧急启动期。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。2003年我国人均GDP首次突破获1000美元大关，经济实力得到了进一步的增强，已经初步具备了接受较高光通量成本（初始成本）的光源的能力。在未来的5~10年内，用半导体LED作为光源的固态照明灯，将逐渐取代传统的照明灯而进入每一个角落，半导体LED固态光源替代传统照明光源已是大势所趋。我国的半导体LED产业链经过多年的发展已相对完善，具备了一定的发展基础。同时，我国又是照明灯具产业的大国,只要政府和业界适当协调整合得当，发展半导体LED照明产业是大有可为的。LED半导体照明市场潜力巨大，发展前景被广泛看好。

1、什么是LED？

LED是当一定电流通过时能发出一定颜色光的一种小型半导体器件。LED的核心是芯片，LED的光电特性主要取决于芯片；同时，封装对LED的最终性能也起著至关重要的作用。LED封装就是将芯片与电极引线、管座和透镜等组件通过一定的工艺技术结合在一起，使之成为可直接使用的发光器件的过程。

⑴ LED的发光原理

a. 半导体晶体的原子排列决定禁带，确定发光特性：λ=hc/Eg；

b. 杂质掺入形成p型区和n型区；

c. 在正向偏压下，注入电子与空穴复合；

d. 复合能量以光（有效复合）或热（无效复合）的形式释放；

e. 整个过程基本上是无害的。

 

⑵ LED芯片发光的电学模型

 

                           

⑷ LED的封装形式
常规小功率LED的封装形式主要有：直插式DIP LED、表面贴装式SMD LED、食人鱼Piranha LED和COB集成化封装。功率型LED是未来半导体照明的核心， 目前功率型LED主要有以下封装形式：
① 沿袭小功率DIP LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装，如图4、5、6；

以上这些封装形式各有优缺点，对照明领域而言，大都只适用于特殊照明，是走向通用照明的过渡性产品。用于通用照明的LED应该有更好的解决方案。

 

 ⑸ 表征LED的特点的主要技术指标。

I．电学指标
①正向工作电流IF（mA）
额定工作电流IF（mA）：LED在理想的线性工作区域，在此电流下可安全地维持正常的工作状态；最小工作电流IFL（mA）：LED在小于此电流工作时，由于超出理想的线性工作区域，将无法保证LED的正常工作状态（尤其是在一致性方面）；最大容许正向电流IFH（mA）：LED最大可承受的正向工作电流，在此电流下，LED仍可正常工作，但发热量剧 增，LED的使用寿命将大大缩短；最大容许正向脉冲电流IFP（mA）：LED最大可承受的一定占空比的正向脉冲电流的高度。

 

⑥半强度角θ1/2：在发光强度分布图形中，发光强度大于最大强度一半之处所构成的角度。
⑦峰值波长λP（nm）：光谱辐射功率最大点所对应的波长。
⑧主波长λd（nm）：以规定白光[通常为等能白E（x=0.3333,y=0.3333）]为参照点，某点颜色的色调与波长为λd的纯光谱相同，则λd称为该点颜色的主波长。这是一个人眼对该点颜色感觉的心理学物理参数。
⑨平均波长λ（nm）：某一准单色光源光谱辐射分布图中的“重心”所对应的波长。

 

 

 

 

 

                   表1： 不同光源环境的相关色温

 

 

色　温	光　色	气氛效果
>5,000K	清凉 (偏蓝的白色)	冷的气氛
3,300-5,000K	中间 (白色)	爽快的气氛
<3,300K	温暖 (偏红的白色)	稳重的气氛

 

(e).显色指数Ra：用某一白光光源照明CIE某标准色板（a=1-14）,再用与该白光光源色温相同的黑体或日光照明该色板,色板所呈现的颜色的差异(ΔEi)表征该白光光源的显色性,并用显色性指数Ra表示, Ri=100-4.6*ΔEi。

 

灯的种类	演色性Ra	灯的种类	显色性Ra
白炽灯	100	金卤灯	65-93
卤坞灯	100	荧光灯	51-95
高压纳灯	42-52	高压汞灯	25-60
节能灯	85	低压钠灯	25

 

指数(Ra)	等级	显色性	一般应用
90-100	1A	优良	需要色彩精确对比的场所
80-89	1B		需要色彩正确判断的场所
60-79	2	普通	需要中等显色性的场所
40-59	3		对显色性的要求较低，色差较小的场所
20-39	4	较差	对显色性无具体要求的场所

 

III．热学指标

①热阻R_th（℃/W）：表示于稳态时在晶片表面每耗散一瓦的功率，晶片结点与参考点之间的温差，由晶片和封装结构的特性决定。

l        LED结温与热阻之间的关系：T_J = T_A+P_D* (Rth_J.A)        T_J ： LED结温

T_A：环境温度

Rth_J.A ：LED的总热阻

l        LED典型热阻数值

②储存温度范围T_stg（℃）：通常为-40℃～+100℃。

③工作温度范围T_opr（℃）：通常为-30℃～+80℃。

IV．可靠性指标

①    ESD水平

②    失效率λ：λ=1/MTTF（MTTF：平均无故障时间）

③    寿命：LED正常工作情况下，IV或者ΦV衰减至初始值50%所经历的时间。

 

 

从上图可见，Φ5白光LED寿命约6,000小时。Power LED在20,000小时内很稳定，而在同等时间内，Φ5 LED衰减度>70%，而白炽灯已经完全不亮了。Power LED可预期经过50,000小时后仍能保持70%的流明数（即仅30%衰减）。

2． 公众对LED的误解

⑴所有LED都有100,000小时的可用寿命。

真实情况：某些传统的LED发出可用或有意义光线（约原光源输出的70%）的寿命，已经被证实为6,000个小时或更低，此寿命会因发光的颜色及LED制造商的不同而有所差异。优质的Power LED的设计寿命高于传统LED——特别是在白光的应用方面，在使用50,000小时之后，仍可保持原输出70%的光通量。

⑵LED不会发热。

真实情况：LED会发热，只不过因所产生的热，被包在LED装置之内，必须透过器件本身或合适的散热机构把热传导出去。如果散热设计不良，LED很快就会失效。

⑶LED无法提供足够的光线给一般的照明使用。

真实情况：高功率的LED可以发出足够的光线，给许多特殊及一般的照明使用，如：舞台聚光灯、高功率手电筒甚至汽车前灯等。

⑷LED所产生的白色光无法取代白炽灯所产生的优质白光。

真实情况：大多数传统的白色光LED是在>5500K的范围左右产生的，比较难产生白炽灯光色温的光色。由于荧光粉技术和实现白光的工艺方法的进步，今天的暖色调白光 Power LED可以在3200K输出高亮度光线，其光谱输出与黑体放射轨迹非常接近，完全可以取代白炽灯。

⑸LED没有办法提供照明应用所需足够的显色指数（Ra）。

真实情况：早期传统的白光LED在高色温区域（>5500K）显色性较好（Ra：80-90），而在低色温区域（3200K-5500K）显色性较差（Ra：60-70）。由于技术的不断进步，现在的白光Power LED在3200K左右区域的显色指数已经可以达90以上，完全可以满足照明的需求。

⑹高功率的LED是很昂贵的。

真实情况：若以每百万流明小时总成本来看，高功率LED可能是最有经济效益的光源，预期在2-3年以内，高功率LED每百万流明小时总成本交将低于白炽灯。

⑺LED的能源效率高于其他光源。

真实情况：白色光LED的效率是白炽灯效率的两倍。由于LED发出的光线具有方向性，您可以更佳地控制光线，提高整体的照明效率。目前，LED的能源效率仍低于荧光灯，但预期在5年内能达到或超过荧光灯的效率。

⑻白色光LED所产生的颜色的不一致性太明显了，以至于无法用于一般的照明应用。

真实情况：由于白色光LED生成的特性，会产生一系列的颜色。在灯具设计及生产时就要特别小心地控制颜色的分布，制定优质的照明解决方案。

⑼LED可当作普通的电光源简单地使用。

真实情况：LED需要借助驱动电路、光学及热传导等专业知识来设计照明解决方案，以实现LED产品的优点。

⑽小功率Φ3mm、Φ5mmLED的光效比Power LED高，而且价钱便宜，完全可以用小功率LED的集成取代Power LED，发展Power LED没有实际意义。

真实情况：目前小功率LED的光效比Power LED的光效高，而且价格确实比Power LED便宜。但小功率LED有其自身固有且难以克服的弱点：一是热阻较高，二是寿命较短。而这两点正是Power LED较之优胜的地方。另外，在装配组合和光学设计配合上，Power LED会比小功率LED方便得多。虽然Power LED目前价格仍偏高，但产业化大批量生产之后，价格比将会大幅度下降。Power LED应该是半导体照明光源发展的正确方向。

⑾色温可以准确表征LED的发光颜色。

真实情况：光源色温的最佳颜色是在黑体放射轨迹上的，离开黑体放射轨迹的光源的色温是用相关色温来表示的。从图29可以看到，在同一条等色温线上各点的（x，y）数值是不同的。也就是说，在同一相关色温下，LED的发光颜色会有比较大的差异。如在3200K-5500K区域，在黑体放射轨迹上方，LED的发光颜色偏黄绿；在黑体放射轨迹的下方，LED的发光颜色偏黄紫。所以，LED的发光颜色最准确的描述是用色坐标来表示。

 

 

⑿ LED的最大可容许正向脉冲电流等于额定电流除以占空比。

真实情况：所有LED的正向工作电流与占空比的关系（Duty Cycle）是由LED晶片和封装结构决定的。不同晶片、不同封装结构的LED在同一占空比下，所可承受的最大脉冲电流是不同的。简单地将脉冲电流高度乘以占空比的数值认为等同于LED实际承受的静态平均电流是错误的。

Recommended Range for Pulse Drive Current Condition for

 

图30：AllnGaP LED脉冲驱动电流条件推荐范围

 

1． LED技术突破的历程

⑴ 1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出发红光的半导体化合物GaAsP。

⑵ 1965年，全球第一款商用化的用锗材料做成的可发出红外光的LED诞生。不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的效率大约为0.1流明/瓦的商用化红色LED。

⑶ 1968年，利用氮掺杂工艺使GaAsP材料LED器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。

⑷ 1971，业界又推出具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

⑸ 80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以10流明/瓦的效率发出红光。

⑹ 1990年，业界又开发出AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。

⑺ 1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝光LED。

⑻ 20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到30lm/W，实验室研究成果可以达到60 lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。

 

             

                                             

3、LED应用的发展历程

LED的应用发展历程大致可分为以下几个阶段：

――指示应用阶段；

――显示应用阶段；

――照明应用阶段。