LED的發(fā)展概況

發(fā)光二極管(LED)是一種電致發(fā)光的光電器件。早在1907年開始,人們就發(fā)現某些半導體制成的二極管在正向導通時有發(fā)光的現象,但生產出有一定發(fā)光效率的紅光LED已是1969年了。到今天,LED已生產了30多年,回顧過去,它已茁壯成長。各種類型的LED、利用LED作二次開發(fā)的產品及與LED配套的產品(如白光LED驅動器)發(fā)展迅速,新產品不斷上市,已發(fā)展成不少新型產業(yè)。展望將來,還期望更進一步地提高。
早期的LED主要用于做指示燈。它的發(fā)光強度不高,一般小于1mcd,高的也僅幾個mcd;另外,發(fā)光效率也不高,一般小于0.21m/W,其功率僅幾十mW到上百個mW(屬于小功率LED)。本文就從發(fā)光強度提高說起。

發(fā)光強度及發(fā)光效率的提高

作為指示燈方面的應用,有幾個mcd的發(fā)光強度也可以了,但由LED組成的數碼管或字符管則顯得亮度不足,若要用于戶外作信號或標志顯示,則其亮度太低,不能滿足使用的要求。所以LED的主要發(fā)展方向是提高發(fā)光強度(也就是一般所指的提高亮度)。
隨著半導體材料及半導體工藝技術、設備的發(fā)展,LED的亮度不斷提高,開發(fā)出高亮度及超高亮度LED,并且不斷創(chuàng)造新記錄。
筆者用現有的LED資料,以中5標準封裝、發(fā)紅光、視角差不多的LED為例,以不同的生產年份的發(fā)光強度來說明LED發(fā)光強度提高的情況,如表1所示。
從表1可以看出,近30年LED的發(fā)光強度提高了8000倍左右。1969～1987年LED的發(fā)光強度是很低的,發(fā)展很慢,但1994～2005年LED的亮度有很大的發(fā)展。表1中列出的并非發(fā)光強度最高的。例如,在GaAs的襯低上采用AIlnGaP工藝技術制成的Φ5、紅光LED,在小視角4°、50mA工作電流時,其典型發(fā)光強度為20000mcd。
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LED另一個重要性能指標是發(fā)光效率η,用1m/W來表達。各年份生產的LED發(fā)光效率如表2所示。
從表2可以看出,這30多年來,LED的發(fā)光效率提高了250倍以上。1970-1990年LED發(fā)光效率提高較慢,1990-2005年則提高較快。例如,Cree公司生產的lW白光LED XL7090WHT,其發(fā)光效率可達601m/W。
XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封裝的白光LED。XL7090WHT的發(fā)光強度大,電流350mA時的典型光通量為601m,在瞬態(tài)脈沖電流700mA時典型光通量可達981m,而目前一般1W白光LED的光通量為30～45lm),XL7090WHT的發(fā)光效率高達601m/W,視角寬達100°,封裝尺寸僅為9mmx7mmx4.3mm,工作溫度范圍是-20~+80℃。
由于XL7090WHT發(fā)光強度大、發(fā)光效率高,因此它適用于家庭、商業(yè)或場所明、DVD、筆記本電腦、機的彩色顯示屏的背光,廣告燈、路燈及標志燈,汽車及工具的內外照明及數碼相機的閃光燈等。
從表1和表2也可以看出,LED的發(fā)光強度及發(fā)光效率的提高主要取決于采用的半導體材料及其工藝技術的發(fā)展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導體材料)和GaAsP(三元素半導體材料),1994年左右采用AIInGaP(四元素半導體材料)后,其發(fā)光強度及發(fā)光效率有很大的提高。另外,在工藝技術上采用在GaAs襯底上用AilnGaP材料生產的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN材料生產的綠光、藍光LED,在發(fā)光強度及發(fā)光效率上有較大的改進。

LED的功率提高

我們知道LED的發(fā)光強度與正向電流I_F,幾乎成線性關系,即增加正向電流I_F可增加發(fā)光強度。但LED有一個最大功耗P_D值的限制,P_D=V_FxI_F(V_F為正向壓降),若過大地增加I_F而使P_D超過最大值時,LED會過熱而損壞。為了要提高發(fā)光強度,開發(fā)出中功率LED(一般為幾百mW),其工作電流也提高到70mA。近年來,為進一步提高發(fā)光強度,開發(fā)出大功率LED,其功率一般為1～10W(有一些還大于10W)。它的工作電流一般為350～700mA,有些可達1A以上。
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以American Opto Plus LED公司生產的5W的PU-5WXX系列為例,在700mA電流下,其結溫了Tj為25℃,其典型發(fā)光強度如表3所示(大功率LED的發(fā)光強度用光通量表示)。


從表3可以看出,除藍光LED的發(fā)光強度及發(fā)光效率較低外,其他發(fā)光顏色的發(fā)光強度及發(fā)光效率都相當高。
早期生產的LED是小功率的(幾十至上百mW),現在已能生產大于10W的大功率LED,在功率上增加了100倍以上。
雖然說小功率LED與大功率LED的發(fā)光效率是差不多的,但LUMILEDS公司的研究表明,大功率白光LED比Φ5白光LED的壽命更長。另外,采用很多小功率白光LED組成的燈泡可靠性也差一些,燈泡體積也較大。例如,用1W白光LED做成燈具,其尺寸為50.8mmx50.8mmx7.1mm,而采用Φ5白光LED來做,其體積則要大得多。但目前大功率LED投產時間不長,價位較高,所以目前大部分LED燈泡仍是用小功率LED做的。

白光LED的誕生是個突破

白光LED是LED家族中最后一個問世的,它的誕生是LED生產中一個重要的突破,它將成為新的照明光源。
白光是復合光,可以用紅、綠、藍(R、G、B)三基色LED混合成白光,1995年前后生產的一種集成LED白光燈(或稱全色LED燈)由2個高亮度藍光LED、15個綠光LED及5個紅光LED組成。這種白光LED燈尺寸大、白光純度不高、發(fā)光效率也不高。但這種三基色燈用單片機來控制可發(fā)出七色光及白光的變色燈,可用于娛樂場所,增加節(jié)日氣氛。另外,采用RGB三種管芯組成的RGBLED常用于手機的變色背光。
采用R、G、B三色LED可以組成彩色LED顯示屏的像素,用它組成彩色LED顯示屏。
在上世紀末,可能受熒光燈的啟發(fā),開發(fā)出在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉,用藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光的白光LED。采用不同的熒光粉,可發(fā)出冷白光(色溫為4500～10000K)及暖白光(色溫為2850～3800K)的白光LED。目前,白光LED的發(fā)光效率大都已超過301m/W,某些產品已超過501m/W的水平。它給用于照明的LED

燈泡創(chuàng)造良好的條件。
在2005年開發(fā)出無熒光粉的、Φ5、透明樹脂封裝的白光LED。該白光LED采用藍寶石(Al₂O₃)為襯底,采用InGaN工藝技術制成。在I_F為20mA時,發(fā)光強度為700～1200mcd。

白光LED照明燈泡

近年來,LED的發(fā)光強度及發(fā)光效率迅速提高、發(fā)光顏色齊全、功率增加、降低,給開發(fā)各種功能的LED燈泡及燈具創(chuàng)造了極好的條件,也給二次開發(fā)LED產品創(chuàng)造良好的機會。例如,現在的城市信號燈及標志燈采用LED替代了傳統(tǒng)的白熾燈,不僅節(jié)省大量的電能,而且無須經常更換損壞的白熾燈:五彩繽紛的各種LED裝飾燈,給城市夜景打扮得五光十色,廣場上的超大屏幕的彩色LED顯示屏讓全世界的球迷過足了癮。
本文將介紹以下幾種白光LED燈的應用及發(fā)展,包括彩色LCD的背光照明燈、閃光燈及家用LED照明燈,它們最大的特點是節(jié)電和壽命長。

1 彩色LCD的背光照明
由于白光LED作背光時電路比用CCFL簡單且尺寸小,所以在手機、PDA等小屏幕彩色LCD中都采用白光LED作背光照明。過去認為白光LED只適用于小面積的彩色LCD顯示屏,但近年來,隨著LED性能的提高,它不僅用于小尺寸LED屏幕,現已用于5英寸、7英寸DVD、GPS的顯示屏上,并發(fā)展到12英寸筆記本電腦及電視機的背光照明。

2 閃光燈
數碼相機正逐漸替代用膠卷的相機,在數碼相機中采用超高亮度的白光LED替代了傳統(tǒng)的氙燈。采用超高亮度的白光LED作閃光燈不僅電路簡單、尺寸小、耗電省,而且無須充電時間。例如,前面提到的1W白光LED XL7090WHT,它在用作閃光燈時,700mA的脈沖電流時其典型光通量為981m。

3 家用LED照明燈
目前家用照明燈主要是白熾燈、熒光燈(日光燈)及節(jié)能熒光燈。白光LED燈泡與熒光燈、節(jié)能熒光燈、白熾燈泡在發(fā)光效率及平均壽命上的比較如表4所示。
從表4可知,白光LED燈泡的發(fā)光效率高于白熾燈泡,但低于熒光燈及節(jié)能熒光燈。白光LED的平均壽命最長的,比節(jié)能熒光燈高8倍,比白熾燈高33倍多。
目前國內已能生產1～3W由Φ5白光LED組成的白光LED燈泡(外形與白熾燈泡相同,球形外殼用透明塑料做成,直徑約60mm,燈頭用E27螺紋燈頭),其發(fā)光效率η超過351m/W。2～3W的白光LED燈泡亮度與25W白熾燈泡差不多。另外,目前也能夠生產出12W白光LED的日光燈管,其光通量超過5001m,發(fā)光效率超過401m/W。這兩種白光LED做成的燈壽命都超過50000h。這兩種燈都是用超高亮度Φ5小功率白光LED做成,目前售價較高,且尚未上市。

算一筆節(jié)電帳及帳

白光LED做成的照明燈節(jié)能、長壽命。筆者將發(fā)光亮度相差不多的三種燈在使用中作了節(jié)電上及經濟上的比較。這三種燈分別是3W的白光LED燈泡、5W的節(jié)能熒光燈和25W的白熾燈泡。這三種燈都采用220V市電供電。在計算中,3W的白光LED燈泡按5W計算(其中有2W是AD/DC及驅動電路的損耗),5W的節(jié)能熒光燈按7W計算(2W是自鎮(zhèn)流及電路的損耗)。這里要說明的是3W白光LED燈泡及5W節(jié)能熒光燈的生產工廠并沒有給出這種損耗值,2W是筆者估算的。計算的結果如表5所示。
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從表5可知,從節(jié)電的方面來比較,同樣使用了50000h,白熾燈要用1250度電,而3W的白光LED燈只要250度電,相差1000度電。如果全國有1億只3W白光LED燈替代了25W白熾燈泡,則在50000h的使用時間中可節(jié)省1000億度電。另外,從經濟方面來比較,用1個3W白光LED燈點了50000h,總的花費是209元,若用25W白熾燈泡需花費688.4元,相差479.4元。

結束語

白熾燈自發(fā)明以來已有150年,而白光LED燈泡生產才幾年。目前在上已有白光LED的手電筒、在礦上有白光LED的礦燈,不僅亮度好,而且節(jié)電。家用白光LED燈泡目前還沒有上市,而且目前只能生產小功率的燈泡,在亮度方面還不如節(jié)能熒光燈亮,且價位還較高,普通家庭還難以接受。
隨著半導體材料及工藝技術的進步,生產量的增加,筆者認為可能還需3～5年時間,LED照明燈的性能會進一步地提高,價格也會不斷地下降,它將逐步地進入千家萬戶,給您帶來節(jié)電、明亮的新的光源。

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