高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用

By | 2020年7月24日

  1  引言


  LED问世于20世纪60年月初期,晚期的LED的发光效率很低(0. 1 lm/ W) ,光通量很小(千分之几流明) ,且颜色繁多(白色) ,以是只能作批示灯用,如收录机上的电源批示等。跟着半导体技巧的倒退,如今的L ED 功能曾经有了打破性的倒退,光效已达几十流明每一瓦,光通量达到几流明,颜色也更具多样性,有红、橙、黄、绿、蓝、白等各类颜色,其使用的畛域也失去了很年夜的拓展。尤为是白光LED的开发胜利,使患上L ED 正在照明畛域中的使用成为可能。正在过来的一百多年中,照明光源经验了三个首要的倒退阶段,白炽灯是第一代光源,荧光灯是第二代光源,高强度气体放电灯是第三代光源。如今不少照明界的人士都对LED的前景非常看好,以为这是第四代光源。本文迁就L ED 正在照明畛域中的使用进行一些讨论,并对其倒退前景进行瞻望。


  2  LED的技巧倒退


  2.1 资料


  发光二极管(LED) 问世于20世纪60年月,1964 年Ⅲ- Ⅴ族发光资料GaAsP 开发胜利,呈现了白色LED ,峰值波长约为650 nm。尽管,驱动电流为20 mA 时,单个L ED 收回的光通量只有千分之几流明,相应的发光效率只有0. 1 lm/ W ,然而全固体光源开端被人们承受,次要用于批示灯畛域。


  70 年月,资料钻研愈加活泼,是L ED 倒退史上的第一个低潮。GaAsP/ GaAs 的品质有所进步,而且行使汽相内涵(VPE) 以及液态内涵法(LPE) 制造内涵资料,不只使光效进步到1 lm/ W ,并且发光颜色笼罩了从黄绿色到红外的光谱范畴( 565 ~ 940nm) ,使用也开端进入显示畛域。


  80 年月之后,使用层面逐步开展,封装技巧逐渐进步,周边支持前提也绝对构成,匆匆使L ED 技巧失去打破。例如用LPE 技巧制造GaAlAs 内涵层,制造高亮度白色LED 以及红外二极管( IL ED) ,波长辨别为660 、880 以及940 nm。跟着金属无机化学汽相内涵法(MOVPE) 的开发,孕育发生了780 nm 半导体激光二极管;用新芯片资料Al InGaP 制成的白色、黄色L ED 光效可达10 lm/ W ,若采纳通明衬底,光效可超越20 lm/ W。而1994 年经过MOVPE 研制的第三代半导体资料GaN 使蓝、绿色LED光效达到10 lm/ W ,完成了LED的全色化。


  90 年月,技巧的倒退次要集中正在红色LED。大抵有三种制造红色LED 的形式:正在蓝色芯片外表涂敷微量荧光物资,局部蓝光激起涂敷物资构成黄光,与透过的芯片本身收回的蓝光组成白光;将红、绿、蓝三种芯片封装正在一同;用ZnSe 为基体,制成单芯片的红色LED ,通电后,ZnSe 有源层收回的蓝光以及衬底发光中心收回的黄光夹杂成白光。


  进入21 世纪后,L ED 被誉为“21 世纪新光源”,是继白炽灯、荧光灯以及高强度气体放电灯(HID) 之后的“第四代光源”。跟着资料技巧、封装技巧的一直倒退翻新,红、橙色L ED 光效曾经能够达到100lm/ W ,绿色L ED 也可达到50 lm/ W。单只LED的光通量也达到几十流明。LED的高效化、超高亮度以及全色化使其使用畛域也日益宽泛,逐渐走向户外照明畛域。


  通常,人们把光强为1 cd 作为普通L ED 以及高亮度LED的分界点。今朝,制造高亮度LED的资料次要为AlGaAs、AlGa InP 以及Ga InN。AlGaAs 实用于高亮度红光以及红外LED , 用LPE制作;AlGa InP 实用于高亮度红、橙、黄及黄绿LED , 用MOVPE 制作; Ga InN 实用于高亮度深绿、蓝、紫及紫外L ED ,用低温MOVPE 制作。


  2.2  芯片构造


  以今朝罕用的Al InGaP 芯片为例, HewlettPackard 消费的Al InGaP L ED 的衬底为200 μm 厚的GaAs 层(参见图1) 。衬底的顶部三层辨别由1μm 厚、掺有没有同杂质的Al InGaP 层形成。这类构造称为异质结构造。两头层以及底层构成pn 结。此中,两头层也被称为有源层,因为下面三层掺杂没有同,电子次要正在有源层中复合。这类构造容许的最年夜驱动电流有所添加。  



  规范的Al InGaP L ED 正在结点处最年夜电流强度为50 mA ,而传统的L ED 技巧只能达到30 mA。高的电流密度可能招致部分过热,从而损坏LED基片的晶体构造。正在这些区域中,构成黑斑,再也不发光,使患上L ED 的功能降落。异质构造的有源层能够接受较高电流密度,缩小L ED 功能受损的可能性。


  正在三层Al InGaP 层的下面有一45μm 厚的GaP层,作为与金属衔接的界面。Al InGaP 基片的年夜局部外表没有含金属物资,只有3μm Al InGaP 层的边上有铝元素。因而,正在湿润的环境中,简直不会被氧化的外表。正在诸如高驱动电流、温度骤变及湿润的各类顽劣前提下,Al InGaP 技巧显示了其抗衰减的杰出功能。


  Al InGaP 的衬底资料次要有两种:用GaAs 衬底对光有排汇作用,正在有源层中孕育发生的光子抵达GaAs衬底时被排汇,因而该技巧称为AS – Al InGaP 技巧;另外一种称为“芯片耦合”的进程, 可将排汇的GaAs 衬底用通明的GaP 衬底来代替(参见图2) ,这类技巧称为TS – Al InGaP 技巧。正在GaP 衬底前面涂上一层反射膜,则光子都被反射回来,使效率添加, 是AS – Al InGaP L ED 的效率的两倍阁下。


   


  正在添加芯片的光输入方面,人们的钻研不只正在于扭转资料内杂质数目、晶格缺点以及位错来进步外部效率,同时,若何改善芯片构造,添加芯片外部孕育发生的光子出射的概率,也是一个首要的成绩。鉴于半导体资料的折射率年夜于空气,因而,局部光子正在抵达芯片界面时会发作全反射。传统的芯片一般是立方体,则芯片好像一个全反射直角棱镜,局部光子正在晶体外部发作屡次反射,终极因为晶体的排汇而损耗,无奈逸出晶体。因而,即便芯片外部可以孕育发生不少光子,如不克不及无效地添加其逸出率,对添加LED的发光效率的作用也不克不及很好的表现。Lumileds 公司采纳截面如梯形的芯片构造(如图3 所示) ,使患上正在斜面标的目的上有更多的光子可以出射,年夜年夜进步了光子的逸出率。


 

 

  2.3  封装


  典型的LED封装构造如图4 所示,芯片的正极经过球形接触点以及金线,与管脚相连,负极经过反射杯以及引线架与另外一管脚相连。反射杯次要用于搜集芯片正面以及底面收回的光,向希冀的标的目的角内反射进来。环氧树脂次要起三方面作用:一是维护芯片等没有受外界腐蚀;二是经过没有同的形态,起到透镜的作用,管制光的发散角;三是因为芯片折射率与空气折射率相比太年夜,芯片内的光易发作全反射,招致过多光丧失,因而经过环氧树脂作一过渡,进步芯片的光出射效率。



  普通状况下,L ED 的光输入跟着电流的添加而添加,但是,今朝年夜少数L ED 的驱动电流限度正在20mA ,从而限度了单只L ED 的输入光通量。其实,20mA 没有是驱动L ED 的最年夜电流值,如今有不少高功率的L ED 的驱动电流能够达到70 mA、100 mA 乃至1 A。要害正在于,要进步驱动电流,必需先处理导热的成绩。因为pn 结的工作温度有一个最高值的要求,约120 ℃,因而,要进步驱动电流,失去加年夜的单只器件的输入光通量,需求改善封装构造,例如采纳年夜晶片构造、选用导热功能好的银胶以及增年夜金属支架的外表积等办法。别的,正在使用设计中, PCB线路板等的导热功能也很首要。


  3  红色LED


  半导体pn 结的电致发光机理决议了LED 不成能孕育发生具备延续光谱的白光,同时单只LED 也不成能孕育发生两种以上的高亮度单色光。因而半导体光源要孕育发生白光能够先孕育发生蓝光,再借助于荧光物资直接孕育发生宽带光谱,分解白光。图5 示出了这类白光LED的构造,图6 是其输入光谱。作为比照,图6还同时给出了一般白炽灯的输入光谱。


  



  如今,关于应用荧光粉的白光LED,经过扭转荧光粉的化学组成以及调理荧光粉层的浓度,能够取得色温为3 500~10 000 K 的各类白光,以餍足没有同照明场所的要求。除了了采纳荧光粉的办法之外,也可采纳将几种发没有同色光的芯片封装正在一同的办法,经过这些色光的夹杂形成发白光的L ED。表1列出了今朝红色L ED 的品种及其发光原理。



  4  LED作为照明光源的特性


  LED作为一种新鲜的半导体光源,其特性次要体现正在如下几个方面。


  4.1  寿命长


  LED的应用寿命能够长达十万小时,传统的光源正在这方面无奈与之相比。普通来说,一般白炽灯的寿命约为一千小时,荧光灯、金属卤化物灯的寿命没有超越一万小时,低压钠灯是有电极的放电灯中寿命较长的,为二万多小时,射频或微波激起的无极放电灯放电管的寿命尽管可达到六万小时,但整灯的寿命要受制于鼓励电路中的电子元器件以及微波振荡管的寿命。因而,正在一些保护以及换灯艰难的场所,应用LED作为光源,可年夜年夜升高人工用度。


  4.2  启动工夫短


  气体放电光源从启动至光辐射稳固输入,需求几十秒至几非常的工夫,这是由气体放电光源自身的特点决议的,由于少数气体放电灯的工作物资正在常温下是液体或固体,启动后需求一个加热气化的进程,能力达到稳固的工作状态。白炽灯是热辐射光源,给人的觉得是一点就亮,实际上白炽灯启动后也有约零点几秒的回升工夫。而L ED 的呼应工夫只有几十纳秒,因而正在一些需求疾速呼应或高速静止的场所,使用LED作为光源是很合适的。


  4.3  构造结实


  LED是用环氧封装的半导体发光的固体光源,其构造中没有蕴含玻璃、灯丝等易损坏的部件,是一种实心的全固体构造,因而可以禁受患上住触动、打击而没有致惹起损坏。L ED 的这一特点使它能够使用于应用前提较为刻薄以及顽劣的场所。


  4.4  功耗低


  LED的能耗较小,是一种节能光源。今朝白光LED的光效曾经达到25 lm/ W ,超越了一般白炽灯的程度,并且如今L ED 的技巧倒退很快,有人估计到2005 年,白光LED的光效能够达到50 lm/ W ,而到2010 年至2015 年,跟着要害技巧的打破,白光LED的光效有可能达到150~200 lm/ W ,年夜年夜超越了如今一切照明光源的光效,正在照明方面有着迷人的使用前景。


  4.5  发光体靠近点光源


  LED的发光体芯片尺寸很小,正在进行灯具设计时根本上能够把它看做点光源,这样能给灯具设计带来许多不便。白炽灯的发光体是灯丝,有肯定的长度,荧光灯管的尺寸更年夜,这些照明光源都不克不及算作点光源,正在灯具设计时起首要建设一个光源辐射模子,解决起来有肯定的难度。而点光源的光源辐射模子是最简略的,这无利于LED的灯具设计。


  4.6  能够做成薄型灯具


  传统的照明光源向空间的简直每个标的目的发光,正在设计照明灯具时,为了进步光线的行使效率,通常要用曲面反射器来搜集光线,使之向所需求的标的目的照耀。因为反射器间隔光源有肯定的间隔,反射器的曲面又有肯定的曲率,因而整个灯具就有肯定的厚度。而LED发光的标的目的性很强,不少状况下只要用透镜将其收回的光线进行准直、偏偏折,而没有需求应用反射器,这样设计的灯具厚度较小,能够做成薄型雅观的灯具,尤为适宜于不太多灯具装置空间的场所使用。


  5  LED正在照明中的使用以及瞻望


  LED的技巧程度与几十年前相比曾经有了长足的提高,今朝已正在一些畛域特地是旌旗灯号显示畛域中庖代传统的白炽灯光源。正在我国,LED使用较多的一个畛域是交通讯号灯,之前一只旌旗灯号灯是用一只100 W的灯胆,而用LED,一只旌旗灯号灯耗电才10W多一点,其节能成果十分显著。同时,LED旌旗灯号灯具另有免保护、薄型、灯具资料抉择面广等特性。另外,LED也能够使用正在路线交通标记、铁路旌旗灯号灯、修建物航空阻碍灯、航标灯、汽车旌旗灯号灯、仪表背光照明,和修建灯光装璜等方面。跟着新的使用畛域的一直开发,LED光源正遭到人们愈来愈多的存眷。


  跟着人类文化的提高,人们对照明的要求再也不是一味地谋求亮堂。今朝世界上许多国度都注重照明中的环保成绩。照明的能量次要起源于由电能转换的光能,而电能又来自于石化燃料的熄灭,地球上的煤、自然气、石油等石化燃料的储量是无限的,跟着人类的一直开采,其储量日趋缩小,世界动力情况没有容悲观。采纳节能高效的光源,能达到节流电力,维护动力的目的,而节电关于环境维护意思严重。如今宽泛应用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体衰弱的汞,光源的消费进程以及烧毁的灯管城市造成对环境的净化。LED是一种合乎绿色照明要求的光源,将正在绿色照明工程中表演愈来愈首要的脚色。


  今朝LED宽泛使用于照明畛域的最年夜阻碍正在于老本成绩。一般照明要用白光LED,因为今朝白光LED的光效还不敷高,功率还不敷年夜,价钱也比拟贵,限度了其正在照明畛域的使用。一般照明量年夜面广,传统的荧光灯以及HID 灯曾经正在这个畛域建设了统治位置,失去宽泛的使用,这里价钱是一个首要要素。咱们能够来比拟一下荧光灯以及白光LED孕育发生1 000 lm 的光所需求的价钱。一般40 W 荧光灯的光通量约为3 000 lm ,灯管以及电器附件的价钱约为10 元,因而孕育发生1 000 lm 的光只要几元钱。而一只20 mA 的白光LED的光通量约为2 lm ,价钱为8元,孕育发生1 000 lm 的光需求500 只LED , 价钱为4 000元,这个价钱是采纳荧光灯的1 000 倍。今朝LED用于一般照明大抵有两种状况。一是对光通量要求没有高,以部分照明以及装璜作用为主,但谋求新潮的场所,如某些别墅中的天井灯;二是正在品位高,价钱贵的商品中使用,如某些飞机的搭客浏览灯。白光L ED 要可以作为一般照明光源而宽泛使用,其倒退指标是单只的输出功率达到10 W ,发光效率达到100 lm/ W ,输入光通量达到1 000 lm ,而且价钱比拟适当。而完成这样的指标,并非非常悠远的事件,表2 给出了一些统计以及预测的后果。



  别的,就光源本身的发光特点而言,LED与白炽灯、荧光灯各有劣势。通常,LED的发光角度小,标的目的性强,因而,当需求进行部分重点照明时,LED是一个很好的抉择,实用于小区域照明使用。而若要照亮某个房间,或许较年夜的区域时,要求灯具的光散布角度较年夜,白炽灯或荧光灯的本身发光角度年夜,灯具惹起的光通丧失小,成果也好。因而,现在,外洋有不少厂家用红色LED制成小的浏览灯、聚光灯等小型灯具,使用于飞机、汽车及室内装璜照明中。


  因而可知,LED是一种颇有出路的照明光源,尽管今朝遭到技巧程度以及价钱的限度,尚无奈正在照明畛域中与传统的光源对抗,然而其倒退的后劲非常微小。跟着技巧的提高,LED势必正在照明畛域中充沛施展其节能高效的特性,从而取得愈来愈宽泛的使用。


 


编纂:Cedar