第11次LED照明.ppt

什么是发光二极管（LED）？¡发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒 LED定义LED的定义：发光二极管（Light Emitting Diode, LED），是一种半导体组件初时多用作为指示灯、显示板等；随着白光发光二极管的出现，也被用作照明它是21世纪的新型光源，具有效率高、寿命长、不易破损等传统光源无法与之比较的优点加正向电压时，发光二极管能发光，这是电致发光效应的一种改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光LED的发展历史¡1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效率0.1 lm/w¡1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的发光效率达到1 lm/w, 并且能够发出红光、橙光和黄光¡1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1 lm/wLED的发展历史¡80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的LED，发光效率达到 10 lm/w¡1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发光效率达到 40—50 lm/w¡1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为0.04 lm/w¡90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED，到目前仍然为该技术半导体材料的分代¡以硅Si为代表的半导体材料为第一代半导体材料¡以砷化镓GaAs为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料¡以氮化镓GaN为代表的宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料 GaN半导体材料特点¡宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.3—6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的¡高频特性，可以达到300G Hz（硅为10G，砷化镓为80G）¡高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）¡耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）¡高压特性（耐冲击，可靠性高）¡大功率（对通讯设备是非常渴望的） GaN半导体材料特点GaN外延片生产¡通过MOCVD进行GaN单晶膜外延生长 用蓝宝石为衬底材料 用高纯氨气提供氮源 用金属有机源提供镓、铟、铝源 通过金属有机源化学气相沉积的方法 进行生长 金属有机化学气相沉积系统（MOCVD)是利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积（CVD)工艺，其原理为利用有机金属化学气相沉积法metal-organic chemical vapor deposition.MOCVD是一种利用气相反应物方大集团于2001年9月在国内第一个生产出GaN基LED外延片6X2MOCVD设备GaN基LED芯片生产¡通过几十道工序，将GaN外延片加工成为LED芯片，标准芯片的尺寸为0.3X0.3mmGaN半导体光电器件应用¡蓝、绿光蓝、绿光LED 全彩色大屏幕 交通信号灯 背光源、仪器仪表指示灯 景观光源蓝、绿、白光LED室外大LED全彩色屏幕LED交通信号灯汽车灯具夜间装饰照明光电鼠标背光源城市建筑装饰灯光工程花旗银行大厦LED散热散热散热散热GaN半导体光电器件应用¡蓝光激光器（蓝光激光器（BLD） 蓝光DVD，双面双密度容量为20G，取代现有红 光DVD，是以后数字电视存储的必由之路 激光打印和显示，生物医疗仪器和设备 ，光谱测量系统 可用于军事领域，450～550nm的蓝-绿光波段对海水是透光的，所以BLD可通过空间卫星、机载平台直接用来对海底潜艇通信，大大提高潜艇的隐蔽性和保密性。

这是军事部门长久渴望实现的技术手段 中国汉级核潜艇索尼全球首台蓝光DVD刻录机BDZ-S7 半导体照明的来临火—人类的文明灯—延续历史几千年1879年爱迪生发明白炽灯荧光灯将电光源带入新天地 城市照明是现代化的重要标志之一目前世界上的电能五分之一用于照明城市照明是现代化的重要标志之一目前世界上的电能五分之一用于照明优异的性能¡白光白光LED 固体冷光源，效率高，绿色环保 寿命长，可以达到10万小时（连续10年） 低电压工作 是照明领域的又一次革命白光LED的构成方式¡基于蓝光LED，通过荧光粉激发一个黄光，组合成为蓝光¡通过红、绿、蓝三种LED组合成为白光¡基于紫外光LED，通过三基色粉，组合成为白光LED 白白 光光 照照 明明三种方法产生白光照明三种方法产生白光照明三基色白光三基色白光光源光源紫外紫外LED激激发白光光源发白光光源蓝光蓝光LED激发激发白光光源白光光源LED 白白 光光 照照 明明红、绿、蓝三色红、绿、蓝三色LED合成白光合成白光¡优点¡不需要磷粉进行光转换，发光效率较高；¡非常好的彩色重现性¡缺点¡成本高美国国家半导体照明计划¡从2000年起国家投资5亿美元¡到2010年 55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代¡每年节电达350亿美元¡2015年形成每年500亿美元的半导体照明产业市场日本21世纪照明计划¡投入资金50亿日元¡到2007年 30%的白炽灯被置换为半导体照明灯欧盟的彩虹计划¡应用半导体照明实现：¡高效¡节能¡不使用有害环境的材料¡模拟自然光韩国“固态照明计划” ¡2004年-2008年韩国政府计划投入1亿美元，企业提供30%的配套资金，近期开始实施，2008年LED的发光效率达到80lm/W 中国专家的呼吁¡我国有近百名专家（两院院士）联名向国务院呼吁，以三峡工程的5%费用，支持我国的半导体照明产业，用5-10年的时间的努力，1/3照明应用半导体照明，每年可以节约的电量1000亿度，多于一个三峡水电站的发电量（800亿度）¡国家启动国家半导体照明工程白光LED¡白光发光二极管（Light Emitting Diode,LED），具有无污染、长寿命、耐震动和抗冲击的鲜明特点 。

¡具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点发光二极管具有下列特性:(1)体积小:可用于数组封装之照明使用，且可视其应用条件做不同颜色种类的搭配组合(2)寿命长:其发光寿命可达1万小时以上，比一般传统钨丝灯泡高出50倍以上(3)耐用:由于发光二极管是以透明光学树脂作为其封装，因此可耐震与耐冲击(4)环保:由于其内部结构不含水银，因此没有污染及废弃物处理问题(5)省能源与低耗电量:白光发光二极管为「绿色照明光源」的明日之星，因其耗电量约是一般钨丝灯泡的1/3~1/5 何谓白光¡所谓「白光」通常系指一种多颜色的混合光，以人眼所见之白色光至少包括二种以上波长之色光所形成，例如:蓝色光加黄色光可得到二波长之白光，蓝色光、绿色光、红色光混合后可得到三波长之白光发光二极管的发光原理¡当PN接面加入顺向偏压时，P型区的多数载子电洞会往N型区移动，而N型区的多数载子电子则往P型区移动，最后电子与电洞两载子会在PN接面之空乏区复合，此时因电子由传导带移转至价电带后丧失能阶，同时以光子的模式释放出能量而产生光而LED之能量是以散射光的方式释放，属于冷性发光 ，与藉由加热发光的白炽灯或藉由放电发光的日光灯之发光原理不同。

光子回收式目前半导体白光光源主要有以下三种方式: 一、为以红蓝绿三色发光二极管晶粒组成白光发光模块，具有高发光效率、高演色性优点，但同时也因不同颜色晶粒磊晶材料不同，连带使电压特性也随之不同因此使得成本偏高、控制线路设计复杂且混光不易二、为日亚化学提出以蓝光发光二极管以激发黄色YAG荧光粉产生白光发光二极管，为目前市场主流方式¡利用蓝光发光二极管芯片所发出的光线激发黄光荧光粉产生黄色光但同时也会有部份的蓝色光发射出来，此部份蓝色光配合上荧光粉所发出之黄色光，即形成蓝黄混合之二波长的白光YAG 螢光粉螢光粉LED晶粒晶粒藍光人眼•图一日本日亚化学专利之白光发光二极管工作原理利用蓝光发光二极管芯片与黄光荧光粉组合而成之白光发光二极管，有下列数种缺点:一、由于蓝光占发光光谱的大部份，因此，会有色温偏高与不均匀的现象基于上述原因，必须提高蓝光与黄光荧光粉作用的机会，以降低蓝光强度或是提高黄光的强度二、因为蓝光发光二极管发光波长会随温度提升而改变，进而造成白光源颜色控制不易三、因发光红色光谱较弱，造成演色性(color rendition)较差现象彩色再现(性)三、最后是以紫外光发光二极管激发透明光学胶中含均匀混有一定比例之蓝色、绿色、红色荧光粉，激发后可得到三波长之白光。

三波长白光发光二极管具有高演色性优点，但却有发光效率不足缺点紅藍綠螢光粉•LED 晶晶粒粒•紫外光人眼穿透之紫外光图二紫外光激发之白光发光二极管工作原理¡白光LED的主要构造，包含底部的GaInN蓝光LED芯片、涂布于LED芯片YAG黄色荧光粉、以及隔绝外界的环氧树脂封装¡当底部的GaInN蓝光芯片接受电能的激发后，产生电子与空穴对，当电子与空穴再结合的时候，LED便发出第一发射光（蓝光）这第一发射光可以被荧光粉吸收并转换成第二发射光（黄光），再利用透镜原理将互补的第一发射光与第二发射光予以混合以后，便得到白光半导体照明发展现状发展速度超过人们的预测¡技术进步迅速¡市场的发展速度领先于技术的发展¡政府与民间共有热情中国在此领域的发展¡有多家公司参与¡在半导体领域中与国际水平最接近，基本上与国际水平同步发展，有部分领先部分领域已经应用¡潜水灯¡防爆灯¡高档汽车的照明灯（奔驰、宝马、奥迪A8等汽车）¡飞机和高档汽车的阅读灯已经走近我们的生活已经走近我们的生活（手电筒） 白光LED射灯可与目前普通灯具互换的LED白光灯存在的问题¡价格过高¡发光效率还不够高¡性价比低¡还不到民众普及的时刻¡半导体照明的寿命实际上还涉及多方面的问题，与10万小时的理论寿命有差距白光发光二极管之发展与未来展望¡LED将逐步代现有白炽灯、代荧光灯。

¡美国能源部也预估2025年固态照明（包含LED、OLED等）将为美国节省三分之一的照明用电¡欧盟自2007年起逐步淘汰白炽灯，另澳洲宣示从2010年起全面禁用白炽灯，将加速全球LED照明之推广普及¡经济部能源局拟在五年后禁止使用白炽灯等低效率光源的生产销售，带动ＬＥＤ商机¡二○○九年国内掀起ＬＥＤ风潮白光ＬＥＤ被誉为将造成照明二次革命¡目前发光效率已提升至100 Lm/W左右水平，实验室水平更达150 Lm/W，大幅超越白炽灯、荧光灯等传统光源。