發光二極體和半導體照明的研究?

摘 要：針對近年來國內外非常重視照明用發光二極體(LED)的研制與開發，簡要介紹了發光二極體的發展現狀及其特點，并討論了研發照明用LED所需要解決的一些技術關鍵問題，指出這類照明系統將獲得廣泛應用。

發光二極體發展現狀
發光二極體通常也叫光發射二極體(LightEmitting Diode，簡寫為LED)是一種可將電能轉變為光能的半導體發光器件，屬於固態光源。LED在20世紀60年代初期問世，當時的LED以紅色為主，發光效率很低，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、結構和封裝技術的不斷進步，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也可達到 50lm/W，單個LED的光通量可達到幾十流明。尤其是近年來高光效、高亮度的白光LED的開發成功，使得LED在照明領域的應用成為可能。自愛迪生發明白熾燈以來的100多年中，電光源照明經歷了三個重要發展階段，這三個階段中的代表性光源分別為白熾燈、螢光燈和高強度氣體放電燈。現在人們普遍認為 LED將可望發展成第四代光源，即半導體照明。

半導體發光二極體的特點
LED是半導體器件通過PN結實現電光轉換。其特點為：

1.1 節能、不引起環境污染
LED的能耗較小，隨著技術的進步，將成為一種新型的節能照明光源。目前白光LED的光效已經達到25lm/W，超過了普通白熾燈的水平，且有人按現在 LED的技術發展速度預測，到2005年，白光LED的光效可以達到50lm/W，而到2010-2015年，白光LED的光效有可能達到 150～200lm/W，遠遠超過了現在所有照明光源的光效。此外，現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，這些光源的生產過程和廢棄的燈管都會造成對環境的污染。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的使用壽命可長達數萬h。

1.3 結構牢固
LED是用環氧樹脂封裝的固態光源，其結構中沒有玻璃泡、燈絲等易損壞的部件，是一種全固體結構，因此能夠經受得住震動、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點，例如：發光體接近點光源，便於燈具設計；發光回應時間短；易於做成薄型燈具，節省安裝空間等等。

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的照明設計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩定的照明電器產品 (電光源、燈用電器附件、燈具、配線材料，以及調光控制設備和控光器件)，改善提高人們工作、學習、生活的條件和質量，從而創造一個高效、舒適、安全、經濟、有益的環境并充分體現現代文明的照明。

2 研發照明用LED的技術關鍵
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該是白光LED，而目前國內外已研制成的白光LED光效還不夠高，功率也不夠大，價格較貴。如果要求全面取代目前普遍使用的白熾燈或螢光燈，尚有一些技術上的難題需研究解決。

(1)首先是發光效率問題。提高LED的發光效率最主要的方法是改進半導體發光材料與LED晶片的結構和制造工藝。由於這部分工作需要扎實的理論研究基礎和先進的半導體工藝設備，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，否則各項性能特別是使用壽命會受到很大的影響。顯然，設計較大輸入功率的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構。現在國外一些著名公司已設計研制了一些特殊的LED器件結構，并已獲得了較好的效果。

(3)由於通常的LED發出的光相對集中於一個較小的立體角范圍內，一般燈具中的反射器就不再是必要的光學元件，而往往用透鏡作為準直光學元件。例如，用凸透鏡或菲涅耳透鏡產生平行光束。然後，用枕形透鏡、楔形棱鏡等使光束重新擴散、偏折產生滿足各種照明燈標準要求的光分布。這就要求對LED照明燈的燈具進行獨特的二次光學系統設計。

(4)由於LED照明需由多個LED管組成，其參數離散性也是一個技術問題。除了通過預選、分類，盡量保證一致性以外，還必須設計合理的燈具結構(包括LED的排列和位置布局)和研究合適的驅動電路，防止偶爾產生的能量集中而燒毀部分LED。

(5)此外，由於多個LED組成一只照明燈具時，免不了對LED進行并聯、串聯。而在使用過程中只要有一個LED短路或開路，都將會導致整小片或整條LED熄滅，影響照明效果。為此，必須研究簡單而廉價的保護電路，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，如果管芯結溫超過標準限定值，將導致不可恢復性光強衰減。因此，除使用時要有足夠的散熱措施外、還必須有合理的電路設計和電路布局，盡量使LED保持良好的工作狀態，充分發揮它的長壽命優點。

3 結束語
盡管發展發光二極體照明系統目前尚存在一系列技術關鍵問題需要解決，但隨著發光二極體管芯光效的迅速提高，發光二極體的封裝與燈具制造工藝的進一步改進，一些經濟上和技術的障礙將逐步消除。相信在不久的將來，這類照明系統能在很多領域獲得廣泛應用。