發(fā)光二極體和半導(dǎo)體照明的研究?

摘 要：針對近年來國內(nèi)外非常重視照明用發(fā)光二極體(LED)的研制與開發(fā)，簡要介紹了發(fā)光二極體的發(fā)展現(xiàn)狀及其特點(diǎn)，并討論了研發(fā)照明用LED所需要解決的一些技術(shù)關(guān)鍵問題，指出這類照明系統(tǒng)將獲得廣泛應(yīng)用。

發(fā)光二極體發(fā)展現(xiàn)狀
發(fā)光二極體通常也叫光發(fā)射二極體(LightEmitting Diode，簡寫為LED)是一種可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體發(fā)光器件，屬於固態(tài)光源。LED在20世紀(jì)60年代初期問世，當(dāng)時(shí)的LED以紅色為主，發(fā)光效率很低，光通量很小，只能作指示燈和儀表顯示器使用。隨著管芯材料、結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED顏色品種增多，光效大幅度提高，目前的紅色LED光效已可以到100lm/W，綠色LED也可達(dá)到 50lm/W，單個(gè)LED的光通量可達(dá)到幾十流明。尤其是近年來高光效、高亮度的白光LED的開發(fā)成功，使得LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。自愛迪生發(fā)明白熾燈以來的100多年中，電光源照明經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段，這三個(gè)階段中的代表性光源分別為白熾燈、螢光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈。現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為 LED將可望發(fā)展成第四代光源，即半導(dǎo)體照明。

半導(dǎo)體發(fā)光二極體的特點(diǎn)
LED是半導(dǎo)體器件通過PN結(jié)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)為：

1.1 節(jié)能、不引起環(huán)境污染
LED的能耗較小，隨著技術(shù)的進(jìn)步，將成為一種新型的節(jié)能照明光源。目前白光LED的光效已經(jīng)達(dá)到25lm/W，超過了普通白熾燈的水平，且有人按現(xiàn)在 LED的技術(shù)發(fā)展速度預(yù)測，到2005年，白光LED的光效可以達(dá)到50lm/W，而到2010-2015年，白光LED的光效有可能達(dá)到 150～200lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)在所有照明光源的光效。此外，現(xiàn)在廣泛使用的螢光燈、汞燈等光源中含有危害人體健康的汞，這些光源的生產(chǎn)過程和廢棄的燈管都會(huì)造成對環(huán)境的污染。LED則沒有這些問題，是一種"清潔"的光源。

1.2 壽命長
一般來講，普通白熾燈的壽命約為1000h，螢光燈、金屬鹵化物燈的壽命也不超過1萬h，而LED的使用壽命可長達(dá)數(shù)萬h。

1.3 結(jié)構(gòu)牢固
LED是用環(huán)氧樹脂封裝的固態(tài)光源，其結(jié)構(gòu)中沒有玻璃泡、燈絲等易損壞的部件，是一種全固體結(jié)構(gòu)，因此能夠經(jīng)受得住震動(dòng)、沖擊而不致引起損壞。

除此之外，LED作為照明用光源還有一些難能可貴的優(yōu)點(diǎn)，例如：發(fā)光體接近點(diǎn)光源，便於燈具設(shè)計(jì)；發(fā)光回應(yīng)時(shí)間短；易於做成薄型燈具，節(jié)省安裝空間等等。

綜上所述，LED是一種符合綠色照明要求的光源。所謂"綠色照明"的概念就是指通過科學(xué)的照明設(shè)計(jì)，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品 (電光源、燈用電器附件、燈具、配線材料，以及調(diào)光控制設(shè)備和控光器件)，改善提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個(gè)高效、舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明。

2 研發(fā)照明用LED的技術(shù)關(guān)鍵
LED照明目前還只能用於一些特殊場合。廣泛使用的照明光源應(yīng)該是白光LED，而目前國內(nèi)外已研制成的白光LED光效還不夠高，功率也不夠大，價(jià)格較貴。如果要求全面取代目前普遍使用的白熾燈或螢光燈，尚有一些技術(shù)上的難題需研究解決。

(1)首先是發(fā)光效率問題。提高LED的發(fā)光效率最主要的方法是改進(jìn)半導(dǎo)體發(fā)光材料與LED晶片的結(jié)構(gòu)和制造工藝。由於這部分工作需要扎實(shí)的理論研究基礎(chǔ)和先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝設(shè)備，開展這方面研究工作不太容易。

(2)高功率問題。作為照明，單個(gè)LED輸出的光通量必須足夠大，欲加大LED的光通量，首先必須注入足夠的電功率。但LED晶片的溫升不能過高，否則各項(xiàng)性能特別是使用壽命會(huì)受到很大的影響。顯然，設(shè)計(jì)較大輸入功率的LED器件和燈具，除需用面積較大的晶片外，還必須有良好的散熱結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在國外一些著名公司已設(shè)計(jì)研制了一些特殊的LED器件結(jié)構(gòu)，并已獲得了較好的效果。

(3)由於通常的LED發(fā)出的光相對集中於一個(gè)較小的立體角范圍內(nèi)，一般燈具中的反射器就不再是必要的光學(xué)元件，而往往用透鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)元件。例如，用凸透鏡或菲涅耳透鏡產(chǎn)生平行光束。然後，用枕形透鏡、楔形棱鏡等使光束重新擴(kuò)散、偏折產(chǎn)生滿足各種照明燈標(biāo)準(zhǔn)要求的光分布。這就要求對LED照明燈的燈具進(jìn)行獨(dú)特的二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(4)由於LED照明需由多個(gè)LED管組成，其參數(shù)離散性也是一個(gè)技術(shù)問題。除了通過預(yù)選、分類，盡量保證一致性以外，還必須設(shè)計(jì)合理的燈具結(jié)構(gòu)(包括LED的排列和位置布局)和研究合適的驅(qū)動(dòng)電路，防止偶爾產(chǎn)生的能量集中而燒毀部分LED。

(5)此外，由於多個(gè)LED組成一只照明燈具時(shí)，免不了對LED進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)。而在使用過程中只要有一個(gè)LED短路或開路，都將會(huì)導(dǎo)致整小片或整條LED熄滅，影響照明效果。為此，必須研究簡單而廉價(jià)的保護(hù)電路，使這種不良影響降至最低限度。

(6)鑒於LED對散熱條件的要求較高，如果管芯結(jié)溫超過標(biāo)準(zhǔn)限定值，將導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)衰減。因此，除使用時(shí)要有足夠的散熱措施外、還必須有合理的電路設(shè)計(jì)和電路布局，盡量使LED保持良好的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮它的長壽命優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)束語
盡管發(fā)展發(fā)光二極體照明系統(tǒng)目前尚存在一系列技術(shù)關(guān)鍵問題需要解決，但隨著發(fā)光二極體管芯光效的迅速提高，發(fā)光二極體的封裝與燈具制造工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，一些經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)的障礙將逐步消除。相信在不久的將來，這類照明系統(tǒng)能在很多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。