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LED照明技术一、LED发光原理1、名词解释LED：全称是Light Emitting Diode，即发光二极管，由III—V族化合物，如GaP(磷化嫁)、GaAsP(磷砷化嫁)等半导体制成的，其核心是PN结PN结：一块一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，中间二者相连的接触面称为PN结（英语：pn junction） PN结是电子技术中许多元件，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础N型半导体：掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电P型半导体：掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

漂移运动：两种半导体在外加电场的情况下，会作定向运动这种运动成为电子与空穴（统称“载流子”）的“漂移运动”，并产生“漂移电流”根据静电学，电子将作与外加电场相反方向的运动，并产生电流（根据传统定义，电流的方向与电子运动方向相反，即和外加电场方向相同）；而空穴的运动方向与外加电场相同，由于其可被看作是“正电荷”，将产生与电场方向相同的电流两种载流子的浓度越大，所产生的漂移电流越大扩散运动：由于某些外部条件而使半导体内部的载流子存在浓度梯度的时候，将产生扩散运动，即载流子由浓度高的位置向浓度低的位置运动2、发光原理制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射，如图1所示当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，则不发光。

图1 LED发光原理与PN结内电子流向二、LED的基本结构与常见种类1、LED的结构组成一般照明会使用白光，由不同波长的光所组成但LED只能发出波长相距很少的光，故带有颜色不同的LED，其半导体材料的能隙不同，故发出不同颜色的光要制造白光LED，有两个方法：将红、绿和蓝三色的LED混合，或者用磷来转变光的颜色第一种方法(RGB-LEDs)用多颗LED，每颗发出不同波长的光，LED间波长相距很少，所以形成了一条白光谱其优点是每颗LED的光度可独立调较，造出不同颜色，但制作成本很高第二种方法（萤光粉转换白光发光二极管，phosphor converted LEDs, pcLEDs），利用短波长LED（通常是蓝或紫外光），磷会吸收部分蓝光，发出一个阔光谱的白光这个原理跟萤光灯利用磷发出白光相似这个方法成本较低，演色性指数（Color Rendering Index, CRI）高，但不能随意改变其发光特性，而且会减低效能这种灯具价钱低且表现中等，这种技术今常用于一般照明但这种方法会使多余的电压转化为热而流失将多颗LED串联可以减少电压损失，但一颗LED故障则整串不会发光几串的LED会并联使用，使其更加可靠。

现实中，三串或以上的LED会并联使用用于家居和办工场所的照明时，一颗灯内会多颗LED，以解决单颗LED光度不足的问题如果使用颜色混合的方法，会造成颜色分布不均因为调较出来的白光LED的颜色平衡并非最佳而且，不同种类LED的老化速度均会不同，亦会导致不平均的颜色输出一颗灯泡里通常包括一组LED、驱动的电子电路、一块散热片和光学零件（如玻璃）2、LED的不同封装方式与基本结构A、引脚式封装结构LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚，常见的是直径为5mm的圆柱型（简称Φ5mm）封装图 2 引脚式封装LEDB、平面式封装结构平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结构型器件通过LED的适当连接（包括串联和并联）和合适的光学结构，可构成发光显示器的发光段和发光点，然后由这些发光段和发光点组成各种发光显示器，如数码管、“米”字管、矩阵管等图 3 平面式封装LEDC、表贴式封装结构表面贴片LED（SMD）是一种新型的表面贴装式半导体发光器件，具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点其发光颜色可以是白光在内的各种颜色，可以满足表面贴装结构的各种电子产品的需要，特别是、笔记本电脑。

图 4 表贴式封装LEDD、食人鱼式封装结构因为它的形状很像亚马孙河中的食人鱼Piranha ，所以这种LED称为食人鱼食人鱼LED有很多优点，由于食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，因此传热和散热快LED点亮后， pn结产生的热量很快就可以由支架的四个支脚导出到PCB的铜带上食人鱼LED比φ3mm、φ5mm引脚式的管子传热快，从而可以延长器件的使用寿命一般情况下，食人鱼LED的热阻会比φ3mm、φ5mm管子的热阻小一半图 5 食人鱼式封装LED三、LED灯与各种灯具的性能比较1、LED与各灯具的基本参数比较表1 基本参数比较表名称 耗电量（W） 工作电压（v） 协调控制 发热量 可靠性 使用寿命（h） 金属卤素灯 100220不易 极高 低 3000霓虹灯 500较高 高 高 宜室内 3000镁氖灯 16W/m 220较好 较高 较好 6000日光灯 4-100 220不易 较高 低 5000-8000 冷阴极 15W/m 需逆变 较好 较低 较好 10000钨丝灯 15-200 220不宜 高 低 3000节能灯 3-150 220不宜调光 低 低 5000LED灯 极低 直流12-36V  多种形式 极低 极高 100000通过表1可知LED灯在各方面优于其它各种灯具。

2、LED灯与各灯具的光效比较表2 光效比较表灯具种类光效(lm/W)白炽灯8-14卤钨灯15 - 24高压钠灯85 - 150水银灯50-55T8灯管 (电子镇流器)90 - 100T5灯管70 - 104(在功率为约28W的情况下)白光LED85 - 120高功率白光LED100 - 140 (在功率为约1W的情况下)通过表2可知，LED能在其它灯具相同照度下更节能3、LED灯与普通节能灯比较表3 LED灯与普通节能灯对比表普通节能灯LED节能灯以家庭使用10只灯，并以每天使用8小时电费计算：(对比数据依据：LED节能5W发光亮度等同于普通节能灯15W发光亮度计算)，此数据仅做对比参照之用，各地市场定价不同略有出入节能耗电低电费10只×15W/只×8小时/天×365天/年=438000W/小时=438度一年电费=438度×1元/度=438元10只x5w/只x8小时/天x365天/年 =146000w/小时=146度一年电费=146度×1元/度=146元LED灯比普通灯节约292元当使用五年：438元X5年=2190元当使用五年：146元X5年=730元1460元灯具成本普通节能灯：10只×10元/只=100元，平均使用寿命2000小时(约1年时间)。

LED节能灯：10只×49元/只=490元，平均使用寿命10000小时(约5年时间)10元因为普通节能灯平均寿命只有一年，当使用五年：10只×10元/只x5年=500元因为LED节能灯平均寿命是5年：当使用五年：仅需要490元总计使用五年：普通灯电费与灯具成本总计2190元（电费）+500元（灯具）=2690元使用五年：LED灯电费与灯具成本总计730元（电费）+490元（灯具）=1220元1470元环保普通节能灯内含有汞元素，灯泡若有损坏将会影响到人们安全LED灯为全固体发光体，耐冲击不易破碎、废弃物可回收、无毒无污染寿命长普通节能灯平均寿命1年LED节能灯平均寿命为5年省更换麻烦每年遇到坏的时候还需要重新更换安装一次基本可以保证五年之内不用更换色彩鲜艳丰富普通节能灯发光颜色有白色与暖色LED灯发光颜色丰富多彩，如：白色、黄色、绿色、蓝色等4、实例对比下面2张图是两组现在使用常用灯具与使用LED灯的实际对比图6 卤素灯与LED灯的照明对比图7 高压钠灯与LED灯的照明对比四、应用状况与发展前景1、应用状况LED已应用到便携式照明、建筑照明、道路照明、环境照明、商业照明中同时在汽车方面，使用在內装包括了仪表板、音箱等指示灯，及汽车外部 (第三刹车灯、左右尾灯、方向灯等)，目前欧洲系列车种包括奥迪、宝马、福斯等品牌全系列采用高亮度LED，而车厂中，丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度LED，其他各车厂新车，也在陆续采用。

装饰方面，可广泛应用在发光立体字；建筑景观外观发光体；高架、高楼、公路、桥梁、地标、标志建筑发光源；广告立体字、标志、标识、指示光源；商业空间、机场、建筑工程、地铁、医院、饭店、白货商场、广场、餐馆、PUB设计灯光；汽车、运输、轮船、宣传指示警示光源；电脑、、通信、滑鼠、信号传输应用光源其次，由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中2、发展前景各国政府都制定了各自的发展计划，具体见下图8图8 世界各国政府LED发展计划图8中可以看出我国对LED照明非常重视随着行业继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低新的组合式管芯的出现，也让单个LED管(模块)的功率不断提高通过不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转控制软件的改进，也使得LED照明使用更加便利这些逐步的改变，都体现出LED发光二极管在照明应用的前景广阔。