LED照明:半導體固體發光器件-中文百科頻道

簡介

原理

LED照明的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-V特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）複合而發光。

假設發光是在P區中發生的，那麼注入的電子與價帶空穴直接複合而發光，或者先被發光中心捕獲後，再與空穴複合發光。除了這種發光複合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而後再與空穴複合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的複合量相對于非發光複合量的比例越大，光量子效率越高。由于複合是在少子擴散區内發光的，所以光僅在靠近PN結面數μm以内産生。

年開始見到明顯成長，滲透率正式跨入雙位數(10%以上)，顯示替換需求開始發動，當多數LED廠在搶攻産業接下來的黃金3年成長期時，國際廠已經為2017年後的市場作準備。

晶電董事長李秉傑說，智慧照明系統将是2017年後決戰市場的關鍵，公司耕耘多年的虛拟垂直整合模式将于該項發展上見到真正效益;而飛利浦更是早已強調其系提供照明系統解決方案服務業者，提前卡位智慧照明市場。

李秉傑于日前LED展上受訪表示，當LED照明滲透率從10%開始大幅成長時，該市場就進入S曲線的快速成長期，從今年起算，估計LED産業将進入照明的黃金3年成長期。

李秉傑認為，帶動LED照明滲透率快速拉升的關鍵在于替換需求效應，但到2017~2018年後，替換需求接近尾聲，市場開始進入S曲線後段，成長幅度将會明顯趨緩，屆時智慧照明系統的布局将成為決戰LED照明市場關鍵。

從飛利浦推出的照明系統解決方案來看，除LED光源外，其實控制、偵測都扮演十分重要的角色，而此将考驗各廠整合與組織的能力。李秉傑說，公司很早就在為2017年後的市場發展做準備，耕耘已久的虛拟垂直整合模式将于此發展上見到真正效益，未來也将結合台廠于無線技術的實力，期盼能夠在台灣組成聯盟，一同進軍智慧照明市場。

特性

極限參數的意義

（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發熱、損壞。

（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極管可能被擊穿損壞。

（4）工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度範圍。低于或高于此溫度範圍，發光二極管不能正常工作，效率大大降低。

不改變材質的前提下，在LED的極限範圍内，提高亮度的手段就是提高電流，随着電流升高，LED發熱量會劇增。使用過LED光源便攜投影機的，或微投的朋友，一定都深有體會，LED光源的投影機，非常熱，而且普遍會有明顯的噪音。這些産品，機身小是一方面，關鍵還是其自身發熱量較大所緻。

随着功率的增加，LED的散熱問題顯得越來越突出，大量實際應用表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過程中會放出大量的熱，使管芯結溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發熱效應越大。溫度的升高會導緻器件性能變化與衰減，非輻射複合增加，器件的漏電流增加，半導體材料缺陷增長，金屬電極電遷移，封裝用環氧樹脂黃化等等，嚴重影響LED的光電參數。甚至使功率LED失效。因此，對于LED器件，降低熱阻與結溫、對發光二極管的熱特性進行研究顯得日趨重要。

LED照明系統的可靠性

LED驅動電源壽數偏低的一個重要原因是驅動電源所需的鋁電解電容的壽數缺乏，首要原因是長時間作業時LED燈内部的環境溫度很高，緻使鋁電解電容的電解液很快被耗幹，壽數大為縮短，通常隻能作業5千小時左右。而LED光源的壽數是5萬小時，因而鋁電解電容的作業壽數就成為了LED驅動電源壽數的短肋。

如今有些供貨商為了處理這個難題，創造了無鋁電解電容的LED驅動電源計劃。但并不是所有的LED驅動電源供貨商都擁護這種做法。陳嵘指出：“當前量産的LED驅動電源中沒有一款是選用了無電解電容的驅動計劃，由于沒有它的話，許多試驗規範通不過，如EMI測驗和無閃爍測驗。”

而選用鋁電解電容的LED驅動電源計劃很簡單通常以上測驗，pcb抄闆若是換成薄膜電容和陶瓷電容或钽電容，情況如何呢？薄膜電容要到達一樣的電容量（通常為100-220uF），體積就會很大，并且本錢也太高，陶瓷電容通常容量太小，如用多個陶瓷電容完成這麼大的容量，占闆面積和本錢都太大，钽電容要具有這麼大容量，一是太貴，而是耐壓太低達不到需求，因而換成其它任何品種的電容，基本上不是體積太大，就是太貴，如為了這些缺陷換成容量較小的電容，消除紋波的作用就沒有那麼好，許多出口産品所需的嚴厲認證測驗目标就無法經過，因而當前高質量的LED驅動電源仍是遍及選用鋁電解電容。

許多供貨商聲稱的無電解電容LED驅動電源計劃，很可能僅僅去掉了AC輸入端的鋁電解電容，恒流輸出端的鋁電解電容應該是很難去掉或代替的。

NXP推了一款可TRIAC調光的内嵌了驅動電源的13WLED燈泡，這款根據SSL2102的驅動電源計劃選用了鋁電解電容。當筆者問及該燈泡的作業壽數時，鋁電解電容的作業壽數難題肯定會影響到整個LED燈泡的壽數，但能夠采納一些物理方法來減輕這個難題，如把鋁電解電容在PCB上方位接近燈尾，通常來說，最接近LED光源有些的溫度最高，可到達100-200℃，散熱金屬外殼有些其次，通常為100℃左右，燈尾有些最低，通常為70℃左右，因而隻需注重把鋁電解電容的方位接近燈尾，其壽數就不會衰減得太兇猛。

綠色環保

不含汞、鉛等對環境污染很大的重金屬,發光時會産生紫外線，因此LED照明不會象傳統的燈具那樣有很多蚊蟲圍繞在光源旁使環境變得更加幹淨衛整潔；金屬殼恒流驅動的創新設計使産品電能轉換成光效率非常高。

獨特優勢

(一)節約能源：LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發光效率可達80―90%。筆者還把LED與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈做了一番比較，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/w，壽命小于2000小時，螺旋節能燈的光效為60lm/w，壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96Alm/w，壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED為20―28lm/w，壽命可大于100000小時。有人還預測，未來的LED壽命上限會無窮大。

一般人都認為，節能燈可節能4/5是偉大的創舉，但LED比節能燈還要節能1/4，這是固體光源更偉大的改革。除此之外，LED還具有其他優勢，光線質量高，基本上無輻射，屬于典型的綠色照明光源;可靠耐用，維護費用極為低廉等等。正因為LED具有以上其他固體光源還無法匹敵的特點，10年後LED會是照明行業的主流光源。

(二)安全環保：LED的工作電壓低，多為1.4―3V;普通LED工作電流僅為10mA，超高亮度的也不過1A。LED在生産過程中不要添加“汞”，也不需要充氣，不需要玻璃外殼，抗沖擊性好，抗震性好，不易破碎，便于運輸,非常環保,被稱為”綠色能源”。

(三)使用壽命長：LED體積小、重量輕，外殼為環氧樹脂封裝，不僅可以保護内部芯片，還具有透光聚光的能力。LED使用壽命普遍在5萬―10萬小時之間，因為LED是半導體器件,即使是頻繁的開關，也不會影響到使用壽命。目前家用照明主要使用的是白熾燈、熒光燈及節能熒光燈。

(四)響應速度快：LED的響應頻率fτ與注入少數載流子的壽命τmc有關，如GaAs材料制成的LED，其τmc一般在1―10ns範圍内，則響應頻率約為16―160MHz，這樣高的響應頻率對于顯示6.5MHz的視頻信号來說已經足夠了，這也是實現視頻LED大屏幕的關鍵因素之一。

目前，LED響應時間最低的已達1微秒，一般的多為幾個毫秒，約為普通光源響應時間的1/100。因此可用于很多高頻環境，如汽車刹車燈或狀态燈，可以縮短車後車輛的刹車時間，從而提高安全性。

(五)發光效率高：白熾燈、鹵鎢燈的光效為12-24lm/w(流明/瓦)，熒光燈的光效為50―70lm/w，鈉燈的光效為90―140lm/w，大部分的耗電變成熱量損耗。而LED的光效經改善後可達到50―200lm/w，且光的單色性好、光譜窄，無需過濾就可直接發出有色可見光。

(六)LED元件的體積小：更加便于各種設備的布置和設計，而且能夠更好地實現夜景照明中“隻見燈光不見光源”的效果。

(七)LED光線能量集中度高：集中在較小的波長窗口内，純度高。

(八)LED發光指向性強：亮度衰減比傳統光源低很多。

(九)LED低壓直流電即可驅動：具有負載小、幹擾弱的優點,對使用環境要求較低。

(十)可較好控制發光光譜組成：從而能夠很好地用于博物館以及展覽館中的局部或重點照明。

(十一)可控制半導體發光層、半導體材料禁止帶幅的大小：從而發出各種顔色的光線，且彩度更高。

(十二)顯色性高：不會對人的眼睛造成傷害。

規範

随着LED陸續導入室内、室外照明市場，LED照明價格也大幅下降，但品質參差不齊也導緻問題叢生，據指出，各地陸續訂定LED照明規範，多項強制性照明标準會從2012年起上路，會可望加速淘汰劣質品的惡性競争，進而帶動LED照明市場洗牌效應。

由于LED照明應用日趨普遍及多元，台灣經濟部标準局陸續制定多項LED照明标準，繼LED路燈規範制定腳步領先世界各國公布，2010年底又頒布3項常見LED室内燈标準，包括LEDT8直管燈管、LED投光燈以及輕鋼架燈(含平闆燈)等，業界指出，盡管相關标準規範已定，但LED路燈經過多年推廣，到2012年才可望擴大安裝，由于政府導入緩慢加上預算編列作業，估計要到2013~2014年才可望釋出采購标案。

盡管大陸LED産業發展如火如荼，但由于各地區氣候環境差異過大，因此産業标準尚未進入國家标準項目，由各省份各自主導推動地區性LED照明标準建立，不過據指出，大陸發改委會通過LED照明的技術規範，以室内LED筒燈為優先項目，預料在技術規範定案後，2012年在大陸十二五規劃推動下，中央公布LED室内照明的補助财政方案會可望擴大實施。

至于LED照明産品輸入歐盟必須通過CE認證，而考量電磁輻射對?H體可能會造成危害，歐盟也宣布于2013年起，強制執行人體電磁輻射安全規範标準。

随着美國環保署于2011年10月公布新版固态照明燈具及光源産品上市規範，業界指出，備受關注的LM-80的光衰測試，預計會從2012年4月起強制實施，在新規範上路後，未來北美市場燈具廠商會優先采購通過LM-80驗證的LED産品，對于未受驗證的台灣LED封裝及晶粒廠，日後進軍美國市場恐會遭受阻礙。

由于LM-80的光衰驗證需經過6,000小時測試，耗時長達6~8個月，部分LED業界認為，LED産品規格及技術日新月異，在經過長達數個月後，LED照明驗證标準可能又會改變，故對此認證仍抱持存疑，不過工研=表示，LM-80被視為進入美國市場的入場券，廠商必須出具LM-80(LED流明維持率)試驗的報告證書，才能取得能源之星标章，北美照明工程學會(IES)也已訂出LM-80的光衰減檢測标準，不僅為LED應用産品提供量測标準，也為消費者提供品質保證，會成為全球共通的檢測标準。

白熾燈

進步

衆所周知,白熾燈是愛迪生的重要發明,這個重要的發明使人類從此告别了黑暗,迎來了光明.但是白熾燈太耗電了,它大概隻有不到十分之一的能量才變成了光能,其它都是熱能白白的被浪費掉了。所以人們都在想辦法要用新的光源來替代白熾燈，節能燈就應運而生了。由于它相比而言便宜又好制作，所以就得到了大量的應用,有逐步取代白熾燈的趨勢.

原理

節能燈的兩極是普通的鎢絲.鎢絲通電發熱後,就能發射出電子.在燈管兩側加上比較高的電壓,形成電場,這些電子就會在燈管裡被加速,形成有一定速度和能量的電子流.燈管是被抽成真空的，裡面充有汞，就是我們稱為的水銀。

在燈管通電發熱的情況下,這些水銀從液态蒸發就變成了氣态.形成遊離狀态的汞原子。電子流中的電子以一定速度打在汞原子上,使汞原子受到激發,變成激發狀态的電離子.稱為發生了階躍，激發狀态的汞過了很短的時間就自發地回落到原來的狀态,同時釋放出紫外線光，紫外線光不能用來照明.于是我們在燈管的内壁塗了一些熒光物質,在紫外線光的轟擊下,熒光物質受到激發以後,就能發出比較自然的光線,可用于我們照明。

市面上較常見的節能燈管有一般的普通燈管及漸為主流的三基色燈管，和白熾燈泡相比都有省電的優點。所不同的是普通燈管的顯色性偏低，而三基色的燈管則呈現出自然的陽光色，并且在顯色性及光效率上都更勝過一般的普通燈管。從上面我們就可以知道，汞在節能燈管中是起中介作用的，沒有汞，節能燈就不會發光。每支燈管裡的汞是很少的。

汞進入人體後很難被排除。筆者工廠的工人有十多年沒有接觸汞了,但檢查身體汞的含量仍然很高，而且随時都還在打排汞針。所以筆者對節能燈有種本能的恐懼。其實含汞照明燈在使用過程中一般沒有什麼污染，污染主要是報廢後電光源被随意丢棄，破裂造成汞擴散到空氣中，危害人體健康，污染環境。由于回收困難和回收價值太低，加之它還有許多的其它弊病，所以唯一的辦法就是淘汰它。

所以為了克服節能燈以上的缺點，LED照明應運而生。LED燈杯、射燈等成為室内照明的主流，也會取代節能燈，成為下一代家庭照明的主流産品。

缺點

1、生産過程中和使用廢棄後有汞污染,西方國家對汞污染是相當的重視.國人也越來越認識到了汞污染的危害性.

2、由于是玻璃制品,易破碎,不好運輸,不好安裝.

3、其耗電量對比LED燈還是偏大了些.

4、容易損壞,壽命短,節能不省錢，這句話就是它的最好寫照.

優點

1，節能：白光LED的能耗僅為白熾燈的1/10，節能燈的1/4.

2，長壽：一個LED燈杯的壽命可達5萬小時以上,對普通家庭照明來說可謂一勞永逸。

3，可以工作在高速狀态：節能燈如果頻繁的啟動或關斷燈絲就會發黑很快的壞掉。

4，固态封裝，屬于冷光源類型。所以它很方便運輸和安裝，可以被裝置在任何微型和封閉的設備中，不怕振動。

5，LED技術正日新月異的在進步，它的發光效率正在取得驚人的突破，價格也在不斷的降低。一個白光LED進入家庭的時代正在迅速到來。據“CPL燈杯”的工程部劉總介紹，未來的照明發展趨勢必會是LED燈杯等室内照明産品淘汰節能燈的使用。