LED的发展与现状

LED的发展与现状

作者：lsq 汕头大学１２级机电系学号２０１２１２４０５２

摘要：本文研究的是ＬＥＤ的发展与现状，主要讲述ＬＥＤ的发展历史、发光原理和分类，ＬＥＤ的现状和它的发展趋势。

关键词：发展、现状、技术、应用、趋势）

随着LED技术的发展，LED照明在现代社会中越来越广泛，LED技术逐渐在各个领域中占据重要的地位，认识和了解LED技术，对我们来说是非常必要的。发光二极管( LED) 作为新型高效固体光源, 具有高效、节能、环保、寿命长、安全、色彩丰富、体积小、响应速度快、耐振动、易维护等显著优点[ 1]。它的出现被公认为是21 世纪最具发展前景的高技术领域之一[ 2-3]。照明应用是全球第二大能源消耗, 约占所有能源消耗的19%[ 4] , 若用LED 替代传统白炽灯, 将节约90%的耗电量[ 1]。据估计,如果2010 年我国有1/ 3 以上的白炽灯被半导体照明技术所取代, 那么一年可节约照明用电1 000 亿度, 节省原煤0. 5亿t, 减少废气及尘渣排放量约667 万t[ 5]。因此, 发展LED 产业、推进LED 的照明应用进程, 将可较大幅度地降低能源消耗和环境污染, 对我国的可持续发展具有重大战略意义。

1、 LED的发展史[6]：从1907年人们发现了半导体材料通电后可以发光现象到现今的高亮度的LED 灯使用。LED照明技术高速发展，给人们生活带来了巨大变迁，下面简介LED的发展。

1.1单色光LED的种类及其发展历史。最早使用GaAsP材料应用半导体P-N结发光原理制成的LED 光源是20世纪60年代初。只能发红光，到70年代中期，LED发展到绿光、黄光和橙光。80年代初，发光亮度大大增强。

1.2复合光LED的发展。LED的从红光LED到蓝光LED以及白光LED经过了三个阶段，红光及绿光都是单色LED。1996年白光LED出现，1998年正式推向市场，标志了复合光白光LED的运用，也为LED照明的发展推到崭新的起点。

1.3白光LED的高速发展。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率大大超过白炽灯，在高亮度的LED也运用于汽车远光灯等需要高亮度的场合。

2、LED的发光原理与LED的分类

2.1 LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。能发出多少光，取决于半导体材料的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料与包装材料。

2.2 LED的分类：

（1）按发光管发光颜色分可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，

有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

（2）根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。

（3）按发光管出光面特征分：按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。

（4）按发光二极管的结构分：按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

（5）按发光强度和工作电流分：按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

3、LED的现状

3.1 LED的技术现状

（1）外延材料技术

LED 外延材料作为半导体照明产业的上游关键发展迅速，目前主流技术仍旧以蓝宝石衬底外延氮化镓材料为代表，碳化硅衬底以其优异的导热性能和良好的晶格匹配也是氮化镓材料生长的首选。M 面晶向生长的非极性GaN 材料在低位错密度和高光子效率成为研究热点，UCSB 报道其LED 材料外延效率为41%。另外，国内具有自主知识产权的硅基外延材料生长技术也形成了自己的特色，有望摆脱日美等国对LED 外延材料生长技术的封锁。硅基LED 外延材料与蓝宝石、碳化硅衬底外延材料相比具有很大的成本优势。硅基LED 外延材料也很容易使用激光剥离技术将氮化镓外延材料剥离，制成高性能垂直结构LED 芯片。近期，固态照明产业另一材料体系—有机LED 材料发展迅猛，有机LED 具有制作成本低，器件面积较大等不可多得的优势，有机LED 前期应用在小像素点的显示领域，目前东芝等国际大厂已经推出应用于照明的有机LED 产品，可以实现单方向出光。但有机LED 大规模应用仍然受限于其寿命和光效问题，这两方面也是有机LED 产业目前面临的攻关重点。

（2） LED 芯片技术

众所周知，LED 芯片工作电压一般为直流3V 左右，LED 灯具工作时需要单独配备驱动电路将交流电转换为低压直流状态进行工作，这一过程存在能源转换的损耗，且LED 驱动电源可靠性较低，与LED 器件长寿命特性不匹配，造成LED 灯具整体寿命下降。高压LED 技术提出利用半导体微加工工艺，在常规功率芯片表面集成多个串联的LED PN 结，提高器件工作电压到100V~200V，可以直接在高压条件下工作，简化了LED 工作电路，提高其工作效率和可靠性。

（3）封装领域

目前封装市场是最为贴近LED 应用的市场之一。2014 年封装领域一大热点为应用于球泡灯的LED 灯丝封装，LED 芯片被串联封装在玻璃或蓝宝石基板上，形成360 度发光体，其工作电流小，工作电压高，可以采用交流驱动方案，减去了使用LED 驱动的成本。灯丝封装可以在球泡灯内完全再现钨丝灯的发光效果。发光体串联红光芯片后灯具显色指数大幅度提高，成为应用领域的一大研究热点。其他室内灯具应用方面，LED 芯片封装趋于小型化和中功率封装，可以进一步减少LED 灯珠应用数量，达到降低成本的目的。另外出现了单灯珠双芯片的封装形式，进一步提高LED 灯珠功率。但过高的功率在室内灯具中会给灯具散热带来较大的压力，还会导致光源过于集中，灯具表面光分布不匀。这一问题在LED灯管的应用中体现尤为明显，当灯具内芯片功率集中时，灯管表面会出现光点。筒灯和射灯领域用到的COB（Chip on board）封装仍然为应用热点。室外灯具应用封装以中功率和大功率LED 芯片封装为主，常用功率为1W。通过增加