发光二极体和半导体照明的研究

发光二极体和半导体照明的研究

摘 要：针对近年来国内外非常重视照明用发光二极体(LED)的研制与开发，简要介绍了发光二极体的发展现状及其特点，并讨论了研发照明用LED所需要解决的一些技术关键问题，指出这类照明系统将获得广泛应用。

发光二极体发展现状
发光二极体通常也叫光发射二极体(LightEmitting Diode，简写为LED)是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属於固态光源。LED在20世纪60年代初期问世，当时的LED以红色为主，发光效率很低，光通量很小，只能作指示灯和仪表显示器使用。随着管芯材料、结构和封装技术的不断进步，LED颜色品种增多，光效大幅度提高，目前的红色LED光效已可以到100lm/W，绿色LED也可达到 50lm/W，单个LED的光通量可达到几十流明。尤其是近年来高光效、高亮度的白光LED的开发成功，使得LED在照明领域的应用成为可能。自爱迪生发明白炽灯以来的100多年中，电光源照明经历了三个重要发展阶段，这三个阶段中的代表性光源分别为白炽灯、萤光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为 LED将可望发展成第四代光源，即半导体照明。

半导体发光二极体的特点
LED是半导体器件通过PN结实现电光转换。其特点为：

1.1 节能、不引起环境污染
LED的能耗较小，随着技术的进步，将成为一种新型的节能照明光源。目前白光LED的光效已经达到25lm/W，超过了普通白炽灯的水平，且有人按现在 LED的技术发展速度预测，到2005年，白光LED的光效可以达到50lm/W，而到2010-2015年，白光LED的光效有可能达到 150～200lm/W，远远超过了现在所有照明光源的光效。此外，现在广泛使用的萤光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这些光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染。LED则没有这些问题，是一种"清洁"的光源。

1.2 寿命长
一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000h，萤光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过1万h，而LED的使用寿命可长达数万h。

1.3 结构牢固
LED是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件，是一种全固体结构，因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。

除此之外，LED作为照明用光源还有一些难能可贵的优点，例如：发光体接近点光源，便於灯具设计；发光回应时间短；易於做成薄型灯具，节省安装空间等等。

综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓"绿色照明"的概念就是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品 (电光源、灯用电器附件、灯具、配线材料，以及调光控制设备和控光器件)，改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。

2 研发照明用LED的技术关键
LED照明目前还只能用於一些特殊场合。广泛使用的照明光源应该是白光LED，而目前国内外已研制成的白光LED光效还不够高，功率也不够大，价格较贵。如果要求全面取代目前普遍使用的白炽灯或萤光灯，尚有一些技术上的难题需研究解决。

(1)首先是发光效率问题。提高LED的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED晶片的结构和制造工艺。由於这部分工作需要扎实的理论研究基础和先进的半导体工艺设备，开展这方面研究工作不太容易。

(2)高功率问题。作为照明，单个LED输出的光通量必须足够大，欲加大LED的光通量，首先必须注入足够的电功率。但LED晶片的温升不能过高，否则各项性能特别是使用寿命会受到很大的影响。显然，设计较大输入功率的LED器件和灯具，除需用面积较大的晶片外，还必须有良好的散热结构。现在国外一些着名公司已设计研制了一些特殊的LED器件结构，并已获得了较好的效果。

(3)由於通常的LED发出的光相对集中於一个较小的立体角范围内，一般灯具中的反射器就再是必要的光学元件，而往往用透镜作为准直光学元件。例如，用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然後，用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折产生满足各种照明灯标准要求的光分布。这就要求对LED照明灯的灯具进行独特的二次光学系统设计。

(4)由於LED照明需由多个LED管组成，其参数离散性也是一个技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。

(5)此外，由於多个LED组成一只照明灯具时，免不了对LED进行并联、串联。而在使用过程中只要有一个LED短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。为此，必须研究简单而廉价的保护