LED光源的应用现状及目前存在的问题Word文件下载.docx

1、Application problem第1章 LED的机理及特性1.1 LED的发光机理LED是Light-Emitting Diode的英文缩写，中文名叫发光二极管，是一种固态的半导体发光元件，其实质性结构是半导体P-N结，在半导体P-N结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子发光复合就是发光二极管的发光机理。发光二极管的发光机理可以用P-N结的能带结构来做解释。制作发光二极管的半导体材料是重掺杂的，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P-N结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合；而当给P-N结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒区的自建电

2、场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏了P-N结的动态平衡，产生少数载流子的电子注入。空穴从P区注入N区，同样电子从N区注入到P区，注入的少数载流子将同该区的多数载流子复合，不断的将多余的能量以光的形式辐射出去，所发出光的颜色是由形成P-N结的材料决定。因此，发光二极管也即利用注入式电致发光原理制作的二极管，如图1.1所示。图1.1 P-N结内电流流向Fig1.1 P-N junction current1.2 LED的特性LED光源有着传统光源无法比拟的优点，那是因为LED特有的性质。（1）光谱特性。PN结辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg，由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不

3、同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光，不同材料的LED发光光谱如图1.2所示。发光二极管所发出的光虽然不是纯单色光，但是它的谱线宽度都比其它光源所发出光的谱线窄。例如，砷化镓发光二极管的谱线宽度只有25nm时，可以认为是单色光。图1.2 LED发光光谱分布Fig1.2 LED light spectral distribution（2）伏安特性。LED伏安特性与PN结伏安特性相同，如图1.3所示，包括正向死区、工作区、反向死区和击穿区。图1.3 LED伏安特性Fig1.3 LED volt-ampere characteristic当外加正向电压小于开启电压时，克服不了势垒电场，P-N结呈

4、现较大的电阻，正向电流很小。发光二极管的开启电压随所用材料的不同而不同，当外加电压超过开启电压时，克服了势垒电场，使正向电流迅速增大，注入的空穴和电子大量复合而发光。（3）LED光强度、光通量与电流的关系特性。LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L与正向电流I近似成正比，即 （式1-1）式中K为比例系数。因此可以通过调节流过LED的电流来控制LED的亮度。（4）LED的温度特性。一般来讲，LED发光电流、发光效率、光输出量都与温度有重要的关系，图1.4是LED发光电流与温度的关系曲线，在偏置电压不变的情况下，P-N结温度升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度也减弱。图1.5是蓝光、绿光和

5、白光LED的光输出量和P-N结温度的关系曲线。从图中可以看到LED出光量会随温度的升高而下降。另外LED温度的升高还会增加功耗，并且大大降低LED的有效寿命，因此做好LED背光模组的散热设计是重要的。与P-N结温度密切相关的因素主要有：环境温度、电流强度、LED内外的散热材料。图1.4 LED发光电流与温度的关系曲线Fig1.4 Relationship between LED emission current and temperature图1.5 LED光输出量与温度的关系曲线Fig1.5 Relationship between LED light output and temperat

6、ure（5）LED的时间响应特性。LED的时间响应特性是指LED随电信号变化启亮和熄灭的延迟特性，由响应时间来描述。响应时间包括上升时间和下降时间，上升时间是从接通电源使LED的发光亮度达到正常的90所经历的时间；下降时间取决于载流子寿命，与流过管子的电流的大小无关。不同种类的LED的响应时间是不同的，即使是同类的LED，其响应时间也有差别，最短的仅有几个ns。1.3 LED的分类若按发光管的发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色、蓝色等，另外，有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂，上述各种颜色的发光二极管还可以分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种

7、类型。散射型发光二极管更加适合做指示灯用。若按发光管出光面特征分，可分成圆灯、方灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm、20mm等。国外通常把直径3mm的发光二级管记作T-1，把直径5mm的记作T-1（3/4），把直径4.4mm的记作T-1（1/4）。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向型。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可做局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。（2）标准型。通这一类的通常都是用

8、作指示灯，其半值角为2045。（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。若按发光二极管的结构分，可分成全环氧包封、金属底座环氧包封、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。除上述方法外，还有按发光强度和工作电流、芯片材料分类及按功能分类的方法。第2章 LED光源在当今社会的应用现状2.1 国内LED光源的应用现状就目前的状况，基于我国的经济发展状况，LED光源还不能普遍的应用于照明，长期以来，由LED光源的光效低，LED光源的应用主要集中于各种显示领域。随着超高亮度LED（特别是白光LED）的出现，国内许多城市开始积极的用LED发光源（由于其能耗小），政府也强调用L

9、ED路灯，让人们不断认识到使用LED光源的优势。据国际权威机构预测，二十一世纪世界将进入以LED为代表的全新型的照明时代，LED光源被称为第四代新光源。上世纪80年代末国外照明领域提出“绿色照明”的新概念，我国是于1996年才开始实施“绿色照明工程”的。实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。但是，我国距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行，而LED光源恰恰符合了这些要求1。纵观我国当前规模庞大的照明市场，由于国民经济水平以及科技水平等因素，

10、和一些欧美国家以及日本相比，虽然规模庞大，但从整体水平来看，主要以经营传统灯具如白炽灯以及荧光灯为主，且在技术上还需进行加强。结合2010 年有关我国照明市场灯具的调查，比例最大的当属用来代替白炽灯和节能灯的球泡灯，其比重高达41%，紧邻其后的是射灯以及筒灯。LED主要涉及的照明灯具比如LED射灯、筒灯、球泡灯、直管灯、平面灯、路灯、隧道灯等都有应用。整体来看，2010年LED照明灯具的市场份额为0.4% ，再结合整个照明市场的供求现状来分析，处于下游状态的主力市场进入大尺寸背光源拉动作用快速放缓，而且通用照明市场又尚未大规模启动，所以中间出现了一个空档期，基于这种情况，LED中上游环节产能快

11、速开出，LED市场出现结构性的供大于求现状，平均价格大幅下滑，由此LED销售额的增长大幅回落。2011 年，我国关于LED 的应用，除开灯泡的更换，主要包括商业、住宅的LED使用情况，大致为30亿美元。从一些研究数据进行分析，LED 具有乐观的发展前景，总体其市场将以20% 的增长率增长，其中预计今年高亮度LED的市场规模将达到120亿美元，而预计到达2015年LED增长率将高达30.6%，达到202亿美元的数据，由此可见LED市场发展之迅猛2。2.2 国外LED光源的应用现状LED产业自90年代以来在全球范围内迅速崛起并且高速发展。除了中国，美国、日本、欧盟、韩国等国家和地区，均纷纷把LED

12、照明技术作为“照亮未来的技术”，并且先后启动固态照明计划，欲占领这一战略技术制高点。日本LED产业结构，除具有完整产业链外，在关键材料的供给上，如外延、荧光粉、封装材料等也都握有重要技术并为其他国家所望其项背。日本LED产业多聚集在高附加值产品上，例如笔记本电脑的LED背光源使用的侧发光LED晶片，对亮度、均匀性、稳定性等都有较高要求，再加上本身专利保护，能使产品维持在较高的单价。韩国LED产业在上游衬底及荧光粉两项关键材料方面基础较弱，擅长于外延和封装制造。韩国在大尺寸背光领域发展较快，拥有全球最大的面板产能与品牌出海口。主要企业有三星、LG和首尔半导体等。前两者之产能多仅供集团内使用，较具

13、外销规模者仅首尔半导体。相较于亚洲厂商多注重量产规模，欧美系LED厂商则在多方面布局，如技术发展、产品开发或垂直整合等方面。欧美系LED厂商的量产规模不比日本、中国台湾，却掌握部分LED的关键技术，在众多LED专利上都有完整的布局。尤其是几大国际厂商如Philips、Cree等不但拥有完整的产业供应链，在LED照明产业，更是全球前五之内。全球LED最大生产商日本的日亚公司近几年一直是LED封装产值冠军，它有完整的LED产业链，产量的70为白光LED。同时，它还是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化厂商。它的荧光粉生产在全球占36的市场份额。日亚公司新增的LED生产线2012年初将投入使用，届时

14、日亚的LED产量将增加3倍。引人注目的是三星LED，从2008年的10名以外升到2009年的第4名，成为全球成长最迅速的LED厂商，这主要得益于大尺寸背光源市场。基于国内市场对LED背光模块强劲需求，公司计划增加50台MOCVD设备，预计至2010年底公司的MOCVD设备总量会达到150台。如下表是2009年全球高亮度LED封装厂的产值排名。表2.1 2009年全球高亮度LED封装厂产值排名Tab2.1 In 2009 the global high brightness LED package factory output ranking排名厂商2008年2009年年度变化1日亚135912

15、19-102欧司朗8057243Cree495616244三星LED1885161755Lunileds426420-16首尔半导体257392527Stanely300346158亿光351342-29丰田合成2143225010Lite-on3363032.3 分析国内外LED市场据统计，LED在2001年的使用量约为2亿个，2002年估计有6亿个的使用量，而2003 年使用量则大幅提升到12亿个。而产值部分，根据Strategies Un -limited的统计，日本大型车灯厂小系（Kohido）预计，到2008年所有的新车都会以LED作为车灯。在照明市场方面，根据Frost Sulli

16、van的预估，2000年白炽灯泡及日光灯的全球市场规模约为43亿美元，每年的成长率约为5%，是2000年全球可见光LED市场规模的2.5倍左右，照明市场的发展空间颇大。再根据Reed Electronics Research统计，1999年全球白光LED市场有8800万美元的市场，2000年则已成长至1.18亿美元的规模，至2003年皆会保持40%左右的成长速度，并可达到2.7亿美元的市场规模，预估2005年市场规模将成长至3.95亿美元，且年平均复合成长率达39.6%，显而易见此照明市场具有相当大的成长空间。此外，富士总研办统计指出，2001年全球白光LED生产个数达247 000 千个，产

17、值达154百万美元，2002产量年成长率则达到55.5%，产值年成长率则为52.6%。依应用产品加以区分，则高达94.7%是应用于移动电话外市场。而从今年开始，全球白光LED亦会有显著成长，从去年的190亿日元增加到今年的254亿日元，2004年则会成长到350亿日元，2005年达到480亿日元。平均单价则是呈现缓慢下滑，从去年的79日元，到2005年下降到68日元，约为蓝光LED价格的2倍。台湾在全球LED的产值方面，其下游产值居全球市场占有率第一，中游则位居第二，但在上游方面，由于无法掌握关键技术，因此在专利权上始终受制日商影响，居全球市场占有率较低，台湾在1997年成功开发白光LED，近

18、年来具有白光面光源等专利权33项，目前正在审查之专利计11项，不仅突破日本长期掌握的白光LED专利权，其白光的品质及效果比起日亚来说，甚至有过之无不及，对提高台湾光电产业的国际竞争力有重大贡献。在全球能源短缺、环保要求不断提高的发展趋势下，凭借LED光源照明的亮度高、使用寿命长、节能、绿色环保等显著优势，伴随着LED技术的飞速发展，使LED成为普通照明光源的时日越来越近，LED照明必将成为人类照明史上继自炽灯、荧光灯之后新的照明革命。第3章 LED光源与传统光源的对比3.1 LED的发展历程1907 年，Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。20世纪三十年

19、代Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光。1936年，George Destiau出版了一份关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电子器件研发和业界认识的逐步深入，最终出现了“电致发光”的术语。20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，它仅能发出不可见的红外光。,20世纪60年代末，人们在砷化镓基体上使用磷化物发明了红光LED，从此LED进入了一个高速发展的时期。表二记录了LED自上世纪60年代后的发展。表3.1 LED的发展历程Tab3.1 The development proce

20、ss of LED时间发光效率色彩备注1965 年0.1lm/W红色（650nm）材料为GaAsP。1968 年1lm/W红、橙、黄采用氮掺杂技术生产GaAsP。20 世纪70 年代红、绿、黄封装技术取得较大发展。20 世纪80 年代10lm/W红、黄、绿采用AlGaAs材料，这是一次重大突破。20 世纪90 年代25lm/W橘红、橙、黄、绿、蓝、白开发出了新的AlInGaP材料，且蓝光LED的出现具有历史意义。2005 年55lm/W全色LED 已具有一定的实用照明价值，在交通信号灯、矿灯等可靠性要求高的场合已可以取代传统光源，并在景观照明领域有了初步的应用。2007 年12 月95lm/W

21、实用性更强，已开始进入小家电市场。在很多景观照明场合得到应用。自1964年首先出现红色LED后，之后才出现黄色LED，直到1994年，蓝色、绿色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。随着LED发光效率和光能量的提高，目前LED已在科研和生产领域得到了广泛的应用。尤其是近年来高光效、高亮度的白色LED的开发成功，使得LED在照明领域的应用成为可能。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一3。3.2 LED光源的特点作为新世纪的高效率光源，LED拥有普通光源无法比拟的的特点，如发光效率高、耗电量少、使用寿命长、无屏闪、安全可靠性强、有利于环保、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于日常照明、指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域。（1）发光效率高。LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W，荧光灯50-70lm/W，钠灯90-140lm/W，大部分的耗电变