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LED照明产业基础知识详解 LED 照明产业基础知识祥解 第一章 LED 照明基础知识 2LED基本发光原理3LED光源的特点 4LED的优点 5LED发展历史 6LED显示屏常用术语解释 7LED极限参数的意义 14 8LED 的分类 149LED 的适用范围和各类应用 17 10LED 产业链分布 18 11LED 发展现状 19 12LED 发展趋势 19 总结LED照明设计 20 第二章 LED 衬底材料的基本知识 21 1LED 衬底的概念和作用 21 2LED 衬底材料的种类 21 3LED衬底选择的原则 24 4LED 衬底的工艺流程 24 第三章 LED 外延片基础知识 26 1LED 外延生长的概念和原理 262LED 外延片衬底材料选择特点 26 3LED 外延片衬底材料种类 27 4LED 外延片生长工艺 29 第四章 LED芯片基础知识 33 1LED 芯片的概念 33 2LED 芯片的组成元素 33 3LED 芯片的分类 33 4LED芯片特性表详见下表介绍 36 5LED 芯片的工艺流程 36 第五章 LED 封装基本知识 45 1LED 封装的概念 45 2LED封装的分类 46 3LED 封装工艺流程 49 4LED 封装器件的性能 53 提高LED发光效率的技术 54 第六章 白光LED的基础知识 57 白光LED的概念 57 白光LED发光原理 57 白光LED技术指标 59 白光LED技术难点 59大功率白光LED的封装技术研究 60 第七章 LED 应用的基础知识 67 信息显示67 交通信号灯71 汽车用灯72 4LED背光源 74 半导体照明77 第一章 LED 照明基础知识 半导体照明的概念又名LED 照明 LEDLighting EmittingDiode 即发光二极管是一种半导体固体发光器件它 是利用固体半导体芯片作为发光材料在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射直接发出红黄蓝绿青橙紫白色的光 LED 照明产品就是利 用LED 作为光源制造出来的照明器具 2LED基本发光原理 LED 是由-族化合物如GaAs 砷化镓GaP 磷化镓GaAsP 磷砷化镓等半导体制成的这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生 PN 架构因此它具有 一般P-N 结的I-N特性即正向导通反向截止击穿特性此外在一定条件下它还具有 发光特性两种不同的载流子空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向 pn架构当空穴和电子相遇而产生复合电子会跌落到较低的能阶同时以光子的模式 释放出能量 假设发光是在区中发生的那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光或者先被发光中心捕获后再与空穴复合发光除了这种发光复合外还有些电子被非发光中心这个中心介于导带介带中间附近捕获而后再与空穴复合每次释放的能量不大不能形成可见光发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大光量子效 率越高由于复合是在少子扩散区内发光的所以光仅在靠近 PN理论和实践证明光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg 有关即 1240Egmm式中Eg 的单位为电子伏特eV若能产生可见光波长在380nm 紫光~780nm 光半导体材料的Eg应在326~163eV之间比红光波长长的光为红外光现在已有红外红黄绿及蓝光发光二极管但其中蓝光二极管成本价格很高使用不普遍 它所发出的光的波长决定颜色是由组成 pn 架构的半导体物料的禁带能量决定由于硅和锗是间接带隙材料在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁此类跃迁没有释出光子所以硅和锗二极管不能发光但在极低温的特定温度下则会发光必须在特殊角度下才可发现而该发光的亮度不明显发光二极管所用的材料都是直接带隙型的这些禁带能量对应着近红外线可见光或近紫外线波段 的光能量 发展初期采用砷化镓 GaAs的发光二极管只能发出红外线或红光随着材料科 学的进步各种颜色的发光二极管现今皆可制造电流从 LED 阳极流向阴极时调节电流便可调节光的强度 如右图所示 图1LED 发光原理图 不同颜色的LED 所使用的不同的元素 2LED颜色和元素对应图 3LED光源的特点 1电压 led 使用低压电源供电电压在6-24v 之间根据产品不同而异所以它是一个比使用高压电源更安全的电源特别适用于公共场所 效能消耗能量较同光效的白炽灯减少80 适用性很小每个单元led 小片是3-5mm的正方形所以可以制备成各种形状 的器件并且适合于易变的环境 稳定性10 万小时光衰为初始的50响应时间其白炽灯的响应时间为毫秒级led 灯的响应时间为纳秒级颜色改变电流可以变色发光二极管方便地通过化学修饰方法调整材料的能带结构和带隙实现红黄绿兰橙多色发光如小电流时为红色的 led随着电流的 增加可以依次变为橙色黄色最后为绿色 价格led的价格比较昂贵较之于白炽灯几只led 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当而通常每组信号灯需由上300~500 只二极管构成 4LED 的优点 高节能节能能源无污染即为环保直流驱动超低功耗单管003-006 瓦电光功率转换 接近100 相同照明效果比传统光源节能80 以上 寿命长LED光源有人称它为长寿灯意为永不熄灭的灯固体冷光源环氧树脂封装灯 体内也没有松动的部分不存在灯丝发光易烧热沉积光衰等缺点使用寿命可达万到10万小时比传统光源寿命长10 倍以上 多变幻LED 光源可利用红绿篮三基色原理在计算机技术控制下使三种颜色具有 256级灰度并任意混合即可产生= 种颜色形成不同光色的 组合变化多端实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像利环保环保效益更佳光谱中没有紫外线和红外线既没有热量也没有辐射眩光小而且废弃物可回收没有污染不含汞元素冷光源可以安全触摸属于典型的绿色照明 光源红光LED 含有大量的As 砷剧毒高新尖与传统光源单调的发光效果相比 LED 光源是低压微电子产品成功融合了计算机技术网络通信技术图像处理技术嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产 品是半导体光电器件高新尖技术具有在线编程无限升级灵活多变的特点体积小LED 基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面所以它非常的小非常 高亮度低热量比HID 或白炽灯更少的热辐射 5LED发展历史 年全球第一款商用化发光二极管诞生 效率 01lmW 比白炽灯低 100年LED的研发取得了突破性进展利用氮掺杂工艺使GaAsP 器件的效率 达到了1 流明瓦并且能够发出红光橙光和黄色光 年GaP绿色芯片LED 用途指示用长寿命10 万小时可靠 480 年代AlGaAs 技术使得LED 效率达到10 流明瓦90年代的AlGaInP 技术 使得LED 效率达到100 流明瓦 用途显示信号用用于室外的运动信息发布以及汽车的高位刹车灯年中村修二研制出了第一只GaN 基高亮度蓝色发光二极管 用途由于蓝光LED 的出现人们首次实现红黄蓝LED 的全色显示从90 年代中期开始许多广告体育和娱乐场所开始应用LED 大屏幕显示 年中村修二和美 国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二极管激发黄光荧光粉得到白光LED 效率 不足10 lmW 年日亚报道了15 lmW 白光LED年日亚报道的光效达到60 lmW 2006 月其光效达到100lmW 月Cree公司报道了130 lmW 白光LED 11月日亚报道的光效达到 150 lmW 其效率已经超过节能灯实现了 真正意义上的照明月美国CREE公司光效达到157 lmW 目前LED 的效率向200 LmW 前进 6LED 显示屏常用术语解释 1LED 的颜色LED 的颜色是一个很重要的一项指标是每一个LED 相关灯具产品必须标明目 前LED的颜色主要有红色绿色蓝色青色黄色白色暖白琥珀色等其它的颜色 全球第一颗LED 采用的材料是砷 Ga工作电压为1424V 其发出的光线为红外光谱之后业界发展出以磷 Ga作为 LED 的材料工作电压为 2261V 发出的光为绿光业界早期就透过这2 种型态LED所需的材料调配出从红外 线到绿色光范围内所有波长的LED 产品发展出常见的红光LED 黄光LED 橙光LED 等等这 大类LED因为使用了镓砷磷 元素LED 而蓝光 LED 绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED业界后来发展出采用混合铝 Al种元素的4元素LED 就能够发出所有可见光范围与部份紫外 线光谱的光线 2LED 的电流 LED 的正向极限电流多在20mA而且LED 的光衰电流不能大于IF3 大约 15mA 和18mALED 的发光强度仅在一定范围内与IF 成正比当IF20mA 时亮度的增 强已经无法用内眼分出来因此LED的工作电流一般选在17-19MA 左右比较合理前 面所针对是普通小功率LED004-008W 之间的LED 而言但大功率的LED 就必须查 其规格 3LED 的电压我们通常所说的是LED的正向电压就是说LED的正极接电源正极负极接电源 负极 电压与颜色有关系红黄黄绿的电压是 18-24v之间白蓝翠绿的电压是 30-36v 之间可能同样一批LED 的电压会有一些差异要根据厂家提供的为准 在外 界温度升高时VF 将下降LED 的反向电压 VR 所允许加的最大反向电压超过此值发光二极管可能被击 穿损坏 4LE 发光强度IIntensity简称光度指光源的明亮程度是说从光源一个立体角单位为 Sr 所放射出来的光通量也就是光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量单位是坎德拉 cd1000ucd 微坎德拉 mcd毫坎德拉 1000mcdcd也称烛光 发光强度是针对点光源而言的或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的可以说发光强度就是描述了光源到底有多亮因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述发光强度越大光源看起来就越亮同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮因此早些时 候描述手电都用这个参数现在 LED 也用这个单位来描述比如某LED 单位是mcd1000mcd1cd 因此mcd 就是15cd 之所以LED 用毫cdmcd接用cd来表示是因为以前最早LED 比较暗比如1984 年标准5mm 的LED 其发光 强度才0005cd 因此才用mcd表示用发光强度来表示亮度的缺点是如果管芯完全 一样的两个 LED 会聚程度好的发光强度就高因此还要看照射角度很多高LED并非提高自身的发射效率来达到而是把镜头加长照射角度变窄来实现 室内用单只LED 的光强一般为500ucd-50 mcd而户外用单只LED 的光强一般 应为100 mcd-1000 mcd 甚至1000 mcd 以上 发光强度为1cd的光源可放射出l257lm 光通量 光通量FFlux为一光源所放射出光能量的速率或光的流动速率为说明光源发光的能力的基本量即光源每秒钟所发出的可见光量之总和单位流明LmLumen 这个量是对光源而言是描述光源发光总量的大小的与光功率等价光源的光通量越大则发出的光线越多对于各向同性的光即光源的光线向四面八方以相同 的密度发射则 为发光角度也就是说若光源的I 为1cd 则总光通量1256lm 人眼对不同颜色的光的感觉是不同的此感觉决定了光通量与光功率的换算 关系对于人眼最敏感的555nm 的黄绿光1W 683lm 也就是说1W 的功率全部转 换成波长为 555nm 683流明这个是最大的光转换效率也是定标值因为人 眼对555nm的光最敏感对于其它颜色的光比如650nm 的红色1W 的光仅相当于73流明这是因为人眼对红光不敏感的原因对于白色光要看情况了因为很多不同的 光谱结构的光都是白色的例如 LED的白光电视上的白光以及日光就差别很大光 谱不同常用白光LED 流明举例006W3-5LM 02W13-15LM1W60-80LM 一个l00 的灯泡可产生l750lm 而一支 40w 冷白日光灯管则可产生 3l50lm 的光通量 照度EIluminance单位勒克斯即lx 以前叫lux 即受照平面上接受光通量的密度可用每一单位面积的光通量来测量 1lm 光通量均匀分布在l平方公尺m2的表面即产生1 勒克新LUXlX 的照度1lm 通量落在l平方英尺ft2 的表面其照度值为l 尺烛光Foot candlefC桌面工作面 的照度不应少于 150lX 起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想 其平均照度应达到l00lX左右阅读和书写用的灯具功率可大些照度应达到200lX 亮度亮度是指物体明暗的程度定义是单位面积的发光强度单位尼特nit光源发出的光通量除以光源的功率它是衡量光源节能的重要指标是以其所发出光的流明除以其耗电量所得之值单位每瓦流明Lmw 光源效率Lmw流明Lm 耗电量W 也就是每一瓦电力所发出光的量其数值越高 表示光源的效率越高也越为节能所以效率通常是我们经常要考虑的一个重要的 因素波长光的色彩强弱变化是可以通过数据来描述这种数据叫波长我们能见到的光 的波长范围在380 至780nm 之间单位纳米nm 波长分类波长分类图Wavelength nm RELATIVE INTENSITY Vs WAVELENGTH430nmBlue470nmBlue 568nmYellowGreen 660nmsuperRed 700nmBrightRedGaAlAs880nm 10 GaAsGaAs GaAlAsGaAs 940nm 10 显色性光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性也就是颜色逼真的程度通常叫 做"显色指数"单位 Ra光源的显色性是由显色指数来表明它表示物体在光下颜色 比基准光太阳光照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性显色性高的光源对颜色表现较好我们所见到的颜色也就接近自然色显色性低的光源对颜色表 现较差我们所见到的颜色偏差也较大国际照明委员会 CIE把太阳的显色指数定 100各类光源的显色指数各不相同如高压钠灯显色指数 Ra 23 荧光灯管显 色指数 Ra 6090显色分两种忠实显色能正确表现物质本来的颜色需使用显色 指数 Ra 高的光源其数值接近100 显色性最好 色坐标CIE 色坐标图11色温 光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时黑体的温度称为该 光源的色温 单位开尔文k 色温究竞是指什么我们知道通常人眼所见到的光线是由光的三原色红绿蓝 组成的7 种色光的光谱所组成色温就是专门用来量度光线的颜色成分的用以计算光线颜色成分的方法是 19 世纪末由英国物理学家洛德凯尔文所创立的他制定出了一整套色温计算法而其具体界定的标准是基于以一黑体辐射器 所发出来的波长凯尔文认为假定某一纯黑物体能够将落在其上的所有热量吸收而没有损失 同时又能够将热量生成的能量全部以光的形式释放出来的话它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色例如当黑体受到的热力相当于时就会变成暗 红色达到1050一1150时就变成黄色因而光源的颜色成分是与该黑体所受的热 力温度相对应的只不过色温是用凯尔文 也就是绝对温度的色温单位来表示而不是用摄氏温度单位表示的在加热铁块的过程中黑色的铁在炉温中逐渐变成红色这便是黑体理论的最好例子当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时它就由红转变橙黄色黄色最后变成白色通常我们所用灯泡内的 钨丝就相当于这个黑体色温计算法就是根据以上原理用K来表示受热钨丝所 放射出光线的色温根据这一原理任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样 颜色时所受到的温度颜色实际上是一种心理物理上的作用所有颜色印象的产生是由于时断时续 的光谱在眼睛上的反应所以色温只是用来表示颜色的视觉印象摄影人都知道有光才有色没有光就没有色 彩色胶片的设计一般是根据能够真实地记录出某一特定色温的光源照明来 进行的分为5500灯光型等多种因而摄影家必须懂得采用与光源色温相同的彩色胶卷才会得到准确的色彩再现如果光源的色温与胶卷的色温互相不平衡就不会对色彩进行准确的还原这时我们就要靠滤光镜来提升或降低光源的色温使曝光条件与胶卷拟定的色温相匹配才会有准确的色彩再现而数码照相机摄像机等要求进行白平衡调整实际上也就是对数码机器进行拍摄环境 的基础色温定位目的是同样的为了色彩的准确再现如何准确地进行色温定位这就需要使用到色温计啦一般情况下正午 10点晴朗无云的天空在没有太阳直射光的情况下标准日光大约在K 新闻摄影灯的色温在3200K一般钨丝灯照相馆拍摄黑白照片使用 的钨丝灯以及一般的普通灯泡光的色温大约在 2800K 由于色温偏低所以在这种情况下拍摄的照片扩印出来以后会感到色彩偏黄色而一般日光灯的色温在K左右所以在日光灯下拍摄的相片会偏青色这都是因为拍摄环境的 色温与拍摄机器设定的色温不对造成的一般在扩印机上可以进行调整但如果拍摄现场有日光灯也有钨丝灯的情况我们成为混合光源这种片子很难进行调整 不同光源环境的相关色温度 光源 色温 北方晴空8000-8500k 阴天 6500-7500k 日正午阳光5500k 金属卤化物灯 4000-4600k 下午日光 4000k冷色莹光灯 4000-5000k 高压汞灯 3450-3750k 2500-3000k卤素灯 3000k 钨丝灯 2700k 高压钠灯1950-2250k 蜡烛光 2000k 光源色温不同光色也不同色温在 3000k 以下有温暖的感觉达到稳重的气氛色温在3000k-5000k 为中间色温有爽快的感 觉色温在5000k 以上有冷的感觉 12 眩光视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比所造成的视觉不舒适称为眩光 眩光是影响照明质量的重要因素 13 发光角度二极管发光角度也就是其光线散射角度主要靠二极管生产时加散射剂来控 制有三大类520或更小具有很高的指向性可作局部照明光源用或与光检出器联用以组成自动检测系统散射型这是视角较大的指示灯发光角度为4590或更大散射剂的量较 LED的发光角度是LED 应用产品的重要参数 14 同步性两个或两个以上 LED 灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行一般 指内控方式的LED 灯同步性是LED 灯实现协调变化的基本要求15 防护等级 IP 防护等级是将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级由两个数字所组成第 一个数字代表灯具防尘防止外物侵人的等级分 0-6级第二个数字代表灯具防湿 气防水侵人的密封程度分0-8 级数字越大表示其防护等级越高 16 光谱光谱是复色光经过色散系统如棱镜光栅分光后被色散开的单色光按波长或 频率大小而依次排列的图案光波是由原子内部运动的电子产生的.各种物质的原子内部电子的运动情况不同所以它们发射的光波也不同.研究不同物质的发光和吸收光的情况有重要的 理论和实际意义已成为一门专门的学科光谱学.吸收光谱高温物体发出的白光其中包含连续分布的一切波长的光通过物质 时某些波长的光被物质吸收后产生的光谱叫做吸收光谱例如让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气在酒精灯的灯心上放一些食盐食盐受热分解就会产生钠气然后用分光镜来观察就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线这就是钠原子的吸收光谱.值得注意的是各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应.这表明低温气体原子吸收的光恰好就是这种原子在高温时发出的光.因此吸收光谱中的谱线暗线也是原子的特征谱线 只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少.在我们眼里大部分光源所发出的光皆通称为白光实际上肉眼看上去的不同 光源所发出的白光会因色温的高低而呈现不同的颜色光色愈偏蓝色温愈高则色温愈低人的眼睛有时会被自己的感觉所愚弄感到差异不大但在我们拍摄照片上可以看到最直接的效果比如在睛空下拍摄的照片可能会发蓝发冷而在灯光下拍摄的照片不打开闪光灯会呈现明显暖调的橙红色 17是指人眼直接观察光源时所看到的颜色街道高压钠灯发出的光既亮且白但当看到被照射的人的面孔时显表灰色这说明高压钠灯的色表并不差但显色性不18平均寿命 指一批灯至50 的数量损坏时的小时数单位小时h 19 经济寿命在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下其综合光束输出减至特 定的小时数室外的光源为70 室内的光源为80 20LED 象素模块LED 排列成矩阵或笔段预制成标准大小的模块室内显示屏常用的有 88 象素 模块8段数码模块户外显示屏象素模块有象素等规格户外显示屏用 的象素模块因为其每一象素由两只以上LED管束组成固又称其为集管束模块 21 象素 Pixel 与象素直径 LED 显示屏中每一个可被单独控制的LED 发光单元 称为象素或象元素直径是指每一象素的直径单位是毫米对于室内显示屏一般一个为单个 LED 外形为圆形室内显示屏象素直径校常 见的有等其中以375 和50 最多 在户外环境为提高亮度增加视距一个象素含有两只以上集束 LED 由于两只 以上集束 LED一般不为圆形固户外显示屏象素直径一般用两两象素平均间距表 示 22 点间距象素密度与信息容量 LED显示屏的两两象素的中心距或点间距 Dot Pitch 单位面积内象素的数量称为象素密度单位面积内所含显示内容的数量称为信息容量这三者本质是描述同一概念点间距是从两两象素间的距离来反映象素密度点间距和象素密度是 显示屏的物理属性信息容量则是象素密度的信息承载能力的数量单位点间距越小象素密度越高信息容量越多适合观看的距离越近 点间距越大象素密度越低信息容量越少适合观看的距离越远 23 分辨率 LED显示屏象素的行列数称为LED 显示屏的分辨率分辨率是显示屏的象素总 量它决定了一台显示屏的信息容量 24 灰度灰度是指象素发光明暗变化的程度一种基色的灰度一般有8 级至1024如若每种基色的灰度为256级对于双基色彩色屏其显示颜色为 64K 亦称该屏为256色显示屏 25 双基色现今大多数彩色LED显示屏是双基色彩色屏即每一个象素有两个LED 管芯一为红光管芯一为绿光管芯红光管芯亮时该象素为红色绿光管芯亮时该象素为绿 色红绿两管芯同时亮时则该象素为黄色其中红绿称为基色 26 全彩色红绿双基色再加上蓝基色三种基色就构成全彩色由于构成全彩色的蓝色管 和纯绿色管芯较贵故目前全彩色屏相对较少 下面为主要的LED照明需要的性能指标 名称 流明Lm 发光体每秒种 所发出的光量之总和即光通量 光强 坎德拉cd 发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量 照度 勒克斯Lmm2 发光体照射在 被照物体单位面积上的光通量 亮度 cdm2发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量 每瓦流明Lmw 电光源将 电能转化为光的能力以发出的光通量除以耗电量来表示 平均寿命指一批灯至百分之五十的数量损坏时的小时数经济寿命 小时 同时考虑灯的损坏以及光束输出衰减的状况下其综合光束输出减至一特定的小时数此比例用于室外的光源为百分之七十用于室内的光源如日光灯则为百分之八十 7LED 极限参数的意义 允许功耗Pm 允许加于 LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大 值超过此值LED 发热损坏最大正向直流电流IFm允许加的最大的正向直流电流超过此值可损坏二极 最大反向电压VRm所允许加的最大反向电压超过此值发光二极管可能被击穿损坏 工作环境topm 发光二极管可正常工作的环境温度范围低于或高于此温度 范围发光二极管将不能正常工作效率大大降低 8LED的分类 按发光管发光颜色分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 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φ 2mmφ 44mmφ5mmφ 8mmφ 10mm 国外通常用T代表Tube 表示管状的灯管直径T 后面的数字表示灯管直径T8 就是有8 一个T就是18英寸 英寸254mm 那么每一个T 就是2548=3175mm T8灯管 T8 灯管的直径就是 88 254=254mm [T8的刚好是直径一英寸 的灯管] 5~20或更小具有很高的指向性可作局部照明光源用或与光检出器联用以组成自动检测系统散射型这是视角较大的指示灯半值角为45~90或更大散射剂的量较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 10mcd 把发光强度在 10~100mcd间的叫高亮度发光二极管达到或超过100mcd 的称超高亮度 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 按照封装式样和用途分SMD 型LED SMD 是目前LED0>最新的发展目前主要被应用于 3C 科技商品上如手机屏 maxbook118commaxbook118com讯号灯等应用上照射角度大所以光束能够均匀扩 散但是制作成本极高 表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法这个里面也有多中类别按形状大小分0 等等一般SMD 都是菱形的所以其叫法都是根据长宽的尺寸来叫行业善用的都是英寸不是毫米也有用毫米叫的不如mm 发光颜色和胶体的种类和LAMP LED产品一样只是产品的形状发生了很大的 变化 LAMP 型LED LAMP 的体积大且照射角度较小因而光束为聚光型主要应用在户maxbook118com 灯交通号志灯 产品的也有叫它插件LED的不管怎么样只要是直插式的都归与一 种而LED 种类里面还有很多种类按胶体形状分 3mm4mm5mm8mm10mm12mm 方形椭圆形墓碑形还有一些特殊形状 等等按胶体颜色分无色透明有色透明有色散射无色散射等 按颜色分红色red 橙色orange 黄色yellow 黄绿色green yellow绿色 green 蓝绿色blue green 蓝色blue 紫色pink 紫外线uv 白色white 红外线等等 食人鱼型LED食人鱼则是兼具了SMD 及LAMP 的优点且照射角度也比LAMP 大加上防水技术成熟且拥有高亮度省电力长寿命的特性可对应汽车室内灯较大之车种超优质量超低价格已成为目前巿场上最物美价廉的最佳车内照明选择而因技术已成熟所 以制作成本较 SMD便宜目前均被广泛的应用在汽车照明系统物超所值所以深受 开车族的喜爱 这个是因 LED的发光效率不能满足汽车使用其要求所以就开发了这个产品 是小功率产品其驱动电流一般在50MA 一般LED 用的20MA最高电流可以达到70mA 就是因为其散热比较好一般用在汽车后尾灯 大功率power led 现有照明的LED 产品它有以下分类按功率分1w3w5w 等等 按顶部发光透镜分平头聚光酒杯形状等 按工艺还有铝基板的和防luminous数码管Display最早用在来做显示屏和数码显示用的 按外形分1 位等等表面颜色灰面黑胶的也有黑面白胶的等等 极性共阴共阳颜色也和LAMP LED 一样可以做很多种类 点阵LED Dot Matrix这个产品和数码管差不多都是应用在信息显示的其间距和孔的直径有改变 都是不同的产品现在一般分57 和88 的其颜色有单色双色三基色的等等 按颜色分单红单绿双基色三基色等 按孔的直径分Φ20Φ30Φ375Φ50 还有一些其它的产品如像素管cluster测光源LEDSide Light Source 红外 线接收和发射产品Infrared Photodiode 等等 红外线 IR LED三元芯片GaAlAsGaAs 波长940nm 工作电压电流13V50mA 遥控器用的比较多 红外线 IR LED 三元芯片GaAlAs波长850nm 工作电压电流15V50mA 外线监视器辅助照明正红光 LED-- 三元芯片 GaAlAs 波长 660nm工作电压电流 1720V20mA 亮度 较低衰减快用途少 红光 LED-- 四元芯片 AlGaInP 波长 630nm 工作电压电流1822V20mA 亮度 高寿命长一般用来取代正红光用途有红绿灯的红灯汽机车尾灯煞车灯全彩 LED 广告牌的红光等 LED--四元芯片AlGaInP 波长 610nm 工作电压电流 1822V20mA 亮度 高但用途少 黄光 LED-- 四元芯片 AlGaInP 波长592nm 工作电压电流 1822V20mA 亮度 高寿命长用途有红绿灯的黄灯汽机车方向灯等 黄绿光 LED-- 四元芯片AlGaInP 波长 570nm 工作电压电流 1822V20mA 度较低但用途不少计算机机壳电源灯红绿双色字幕机等草绿光 LED--GAN 芯片 InGaNSiC 波长 525nm 工作电压电流 3036V20mA 亮度高用途大部分是全彩LED 广告牌的绿光绿光LED-- GAN 芯片 InGaNSiC 波长515nm 工作电压电流3036V20mA 亮度 高一般用途 青绿光 LED--GAN 芯片 InGaNSiC 波长 525nm 工作电压电流 3036V20mA 亮度高大部分用在红绿灯的绿灯 蓝光LED--GAN 芯片 InGaNSiC 波长470nm 工作电压电流3036V20mA 亮度 高用途很广包括全彩LED 广告牌的蓝光白光LED-- GAN 芯片 InGaNSiC 工作电压电流3036V20mA 亮度高寿命长光色稳定不闪烁现在已经可以做小区域照明之用明年开始将会全面取代中小型 LCD 面板的冷阴极管当背光源 9LED 的适用范围和各类应用LED 照明灯具里底灯吊灯投射灯等装饰用反射用途的LED 照明灯具可以完全胜任于任何场合包括美术馆博物馆等对颜色度要求较高的场所但是对于商场写 字楼等大规模设施来说作为大范围照明的 LED灯具虽然已经诞生但是其指向性 LED 芯片发出的光是直线发散性不好 太高造成大面积内设计平均的照度很困难 灯管型 LED照明灯具排列过密设计成本过高失去节能效果因此现阶段装饰用途 场合LED 照明灯具完全可用大面积室内照明还不成熟 分类 材料 应用领域可见光LEDnm GaPGaAsPAlGaAs家电信息产品通讯产品消费性电子产品 高亮度 AlGaInP 红橙黄光大型广告牌交通号志背光源汽车第三煞车灯 GaInN 蓝绿光 GaInN 萤光粉 白光 照明用 LED 的应用主要可分为三大类LCD屏背光LED 照明LED 显示 1maxbook118comD 屏的背光 例如手机PDAMP34 等便携设备的LCD 屏都需要LED来背光 27 寸LCD 屏的背光如数码相框 大尺寸LCD屏的背光如LCD TVMonitor 笔记本电脑 目前大部分LCDTVMonitor 笔记本电脑的LCD 屏是采用的CCFL 荧光灯管做 背光因CCFL 寿命环保等不利原因目前正朝向采用LED背光发展按LCD 屏的尺寸 大小一般需要数十个到上百个白光LED 做背光而其LED 驱动IC 市场潜力将会很 4LED手电筒小功率LED 手电筒强光LED 手电筒LED 矿灯 5LED 草地灯 6LED 照明照明经过白炽灯日光灯到现在比较普遍的节能灯再下个阶段应该就是 LED 照明灯的普及了这里需要超高亮度的LED超长寿命极低功耗将是LED 灯很大的优 势同时成本考虑也是一个关键 7LED 显示 我们在公交车地铁里都能看到各样的 LED字幕显示屏并且在户外也有不少 大屏幕 LED 点阵显示屏幕从远处看就是一个比较清晰的超大屏幕电视机这里需 要用到专用的LED显示控制芯片 10LED 产业链分布 11LED 发展现状 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下节约能源是我们未来面临的重要的问题在照明领域LED 发光产品的应用正吸引着世人的目光LED 作为一种新型 的绿色光源产品必然是未来发展的趋势二十一世纪将进入以LED 为代表的新型 照明光源时代 中国LED 产业起步于20 世纪70 年代经过30 多年的发展中国LED 产业已初步形成了包括LED 外延片的生产LED 芯片的制备LED 芯片的封装以及LED 产品应用在内的较为完整的产业链在国家半导体照明工程的推动下形成了上海大连南昌厦门深圳扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地长三角珠三角闽 三角以及北方地区则成为中国LED 产业发展的聚集地目前中国半导体照明产业发展向好外延芯片企业的发展尤其迅速封装企业 规模继续保持较快增长照明应用取得较大进展2007 年中国LED应用产品产值已 超过300 亿元已成为LED 全彩显示屏太阳能LED 景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国新兴的半导体照明产业正在形成国内在照明领域已经形成一定特 色其中户外照明发展最快已有上百家 LED路灯企业并建设了几十条示范道路但 在室内通用照明市场方面仍显落后 2008 年北京奥运会对 LED 照明的集中展示让人们对 LED有了全新的认识有 力推动了中国半导体照明产业的发展当前中国半导体产业产业大而不强核心竞争力仍有待于进一步提升对国内企业而言壮大规模提高产品质量与技术水平是首要任务提高未来取得大厂专利授权时的要价能力或逐步通过研发突破核心专 12LED发展趋势 LED被称为第四代照明光源或绿色光源具有节能环保寿命长体积小等特点 可以广泛应用于各种指示显示装饰背光源普通照明和城市夜景等领域近年来世界上一些经济发达国家围绕LED 的研制展开了激烈的技术竞赛美国从2000 投资5亿美元实施国家半导体照明计划欧盟也在2000月宣布启动类似的彩虹计划我国科技部在863 计划的支持下2003 月份首次提出发展半导体照明计划 多年来LED照明以其节能环保的优势已受到国家和各级政府的重视各地纷 纷出台相关政策和举措加快 LED 灯具的发展大众消费者也对这种环保新型的照明产品渴求已久但是由于投入在技术和推广上的成本居高不下使得令万千消费 者翘首以待的LED照明产品一直可望而不可及迟迟未能揭开其神秘的贵族面纱 随着国内部分厂家技术和生产成本的降低 LED 照明叫好而不叫座的局面行将改变价廉物美的 LED 照明产品将给中国照明行业带来革命性的冲击为广大消 费者带来光明的福音 总结LED 照明设计 LED照明灯具备受期待的原因就是节能使用寿命长确实与白炽灯相比目前 的球泡型LED 灯效率更高但是荧光灯与LED照明灯具相比还是荧光灯较高这是因 为虽然单独的 LED 芯片比荧光灯效率高但是由于发热降低了发光效率交流电转换成直流电时电源效率变低以及由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低 进而造成整个LED 照明灯具的效率下降 因此为了实现 LED的节能长寿命必须对热电光进行各种设计单纯依靠 LED 封装并不能发挥LED 的优势 第二章 LED 衬底材料的基本知识 1LED衬底的概念和作用 衬底又称基板也有称之为支撑衬底衬底只要是外延层生长的基板在生产和制作过程中起到支撑和固定的作用它与外延层的特性配合要求比较严格否则会 影响到外延层的生长或是芯片的品质 2LED 衬底材料的种类对于制作 LED 芯片来说衬底材料的选用是首要考虑的问题应该采用哪种合 适的衬底需要根据设备和LED器件的要求进行选择目前市面上GaN基系列一般有 三种材料可作为衬底 蓝宝石Al2O3 Si碳化硅SiC 除了以上三种常用的衬底材料之外还有 GaASAlNZnO等材料也可作为衬底通 常根据设计的需要选择使用 蓝宝石衬底通常 GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上蓝宝石衬底有许多的优点首先 蓝宝石衬底的生产技术成熟器件质量较好其次蓝宝石的稳定性很好能够运用在高温生长过程中最后蓝宝石的机械强度高易于处理和清洗因此大

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4LED 封装器件的性能 53 提高LED发光效率的技术 54 第六章 白光LED的基础知识 57 白光LED的概念 57 白光LED发光原理 57 白光LED技术指标 59 白光LED技术难点 59大功率白光LED的封装技术研究 60 第七章 LED 应用的基础知识 67 信息显示67 交通信号灯71 汽车用灯72 4LED背光源 74 半导体照明77 第一章 LED 照明基础知识 半导体照明的概念又名LED 照明 LEDLighting EmittingDiode 即发光二极管是一种半导体固体发光器件它 是利用固体半导体芯片作为发光材料在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射直接发出红黄蓝绿青橙紫白色的光 LED 照明产品就是利 用LED 作为光源制造出来的照明器具 2LED基本发光原理 LED 是由-族化合物如GaAs 砷化镓GaP 磷化镓GaAsP 磷砷化镓等半导体制成的这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生 PN 架构因此它具有 一般P-N 结的I-N特性即正向导通反向截止击穿特性此外在一定条件下它还具有 发光特性两种不同的载流子空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向 pn架构当空穴和电子相遇而产生复合电子会跌落到较低的能阶同时以光子的模式 释放出能量 假设发光是在区中发生的那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光或者先被发光中心捕获后再与空穴复合发光除了这种发光复合外还有些电子被非发光中心这个中心介于导带介带中间附近捕获而后再与空穴复合每次释放的能量不大不能形成可见光发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大光量子效 率越高由于复合是在少子扩散区内发光的所以光仅在靠近 PN理论和实践证明光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg 有关即 1240Egmm式中Eg 的单位为电子伏特eV若能产生可见光波长在380nm 紫光~780nm 光半导体材料的Eg应在326~163eV之间比红光波长长的光为红外光现在已有红外红黄绿及蓝光发光二极管但其中蓝光二极管成本价格很高使用不普遍 它所发出的光的波长决定颜色是由组成 pn 架构的半导体物料的禁带能量决定由于硅和锗是间接带隙材料在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁此类跃迁没有释出光子所以硅和锗二极管不能发光但在极低温的特定温度下则会发光必须在特殊角度下才可发现而该发光的亮度不明显发光二极管所用的材料都是直接带隙型的这些禁带能量对应着近红外线可见光或近紫外线波段 的光能量 发展初期采用砷化镓 GaAs的发光二极管只能发出红外线或红光随着材料科 学的进步各种颜色的发光二极管现今皆可制造电流从 LED 阳极流向阴极时调节电流便可调节光的强度 如右图所示 图1LED 发光原理图 不同颜色的LED 所使用的不同的元素 2LED颜色和元素对应图 3LED光源的特点 1电压 led 使用低压电源供电电压在6-24v 之间根据产品不同而异所以它是一个比使用高压电源更安全的电源特别适用于公共场所 效能消耗能量较同光效的白炽灯减少80 适用性很小每个单元led 小片是3-5mm的正方形所以可以制备成各种形状 的器件并且适合于易变的环境 稳定性10 万小时光衰为初始的50响应时间其白炽灯的响应时间为毫秒级led 灯的响应时间为纳秒级颜色改变电流可以变色发光二极管方便地通过化学修饰方法调整材料的能带结构和带隙实现红黄绿兰橙多色发光如小电流时为红色的 led随着电流的 增加可以依次变为橙色黄色最后为绿色 价格led的价格比较昂贵较之于白炽灯几只led 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当而通常每组信号灯需由上300~500 只二极管构成 4LED 的优点 高节能节能能源无污染即为环保直流驱动超低功耗单管003-006 瓦电光功率转换 接近100 相同照明效果比传统光源节能80 以上 寿命长LED光源有人称它为长寿灯意为永不熄灭的灯固体冷光源环氧树脂封装灯 体内也没有松动的部分不存在灯丝发光易烧热沉积光衰等缺点使用寿命可达万到10万小时比传统光源寿命长10 倍以上 多变幻LED 光源可利用红绿篮三基色原理在计算机技术控制下使三种颜色具有 256级灰度并任意混合即可产生= 种颜色形成不同光色的 组合变化多端实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像利环保环保效益更佳光谱中没有紫外线和红外线既没有热量也没有辐射眩光小而且废弃物可回收没有污染不含汞元素冷光源可以安全触摸属于典型的绿色照明 光源红光LED 含有大量的As 砷剧毒高新尖与传统光源单调的发光效果相比 LED 光源是低压微电子产品成功融合了计算机技术网络通信技术图像处理技术嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产 品是半导体光电器件高新尖技术具有在线编程无限升级灵活多变的特点体积小LED 基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面所以它非常的小非常 高亮度低热量比HID 或白炽灯更少的热辐射 5LED发展历史 年全球第一款商用化发光二极管诞生 效率 01lmW 比白炽灯低 100年LED的研发取得了突破性进展利用氮掺杂工艺使GaAsP 器件的效率 达到了1 流明瓦并且能够发出红光橙光和黄色光 年GaP绿色芯片LED 用途指示用长寿命10 万小时可靠 480 年代AlGaAs 技术使得LED 效率达到10 流明瓦90年代的AlGaInP 技术 使得LED 效率达到100 流明瓦 用途显示信号用用于室外的运动信息发布以及汽车的高位刹车灯年中村修二研制出了第一只GaN 基高亮度蓝色发光二极管 用途由于蓝光LED 的出现人们首次实现红黄蓝LED 的全色显示从90 年代中期开始许多广告体育和娱乐场所开始应用LED 大屏幕显示 年中村修二和美 国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二极管激发黄光荧光粉得到白光LED 效率 不足10 lmW 年日亚报道了15 lmW 白光LED年日亚报道的光效达到60 lmW 2006 月其光效达到100lmW 月Cree公司报道了130 lmW 白光LED 11月日亚报道的光效达到 150 lmW 其效率已经超过节能灯实现了 真正意义上的照明月美国CREE公司光效达到157 lmW 目前LED 的效率向200 LmW 前进 6LED 显示屏常用术语解释 1LED 的颜色LED 的颜色是一个很重要的一项指标是每一个LED 相关灯具产品必须标明目 前LED的颜色主要有红色绿色蓝色青色黄色白色暖白琥珀色等其它的颜色 全球第一颗LED 采用的材料是砷 Ga工作电压为1424V 其发出的光线为红外光谱之后业界发展出以磷 Ga作为 LED 的材料工作电压为 2261V 发出的光为绿光业界早期就透过这2 种型态LED所需的材料调配出从红外 线到绿色光范围内所有波长的LED 产品发展出常见的红光LED 黄光LED 橙光LED 等等这 大类LED因为使用了镓砷磷 元素LED 而蓝光 LED 绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED业界后来发展出采用混合铝 Al种元素的4元素LED 就能够发出所有可见光范围与部份紫外 线光谱的光线 2LED 的电流 LED 的正向极限电流多在20mA而且LED 的光衰电流不能大于IF3 大约 15mA 和18mALED 的发光强度仅在一定范围内与IF 成正比当IF20mA 时亮度的增 强已经无法用内眼分出来因此LED的工作电流一般选在17-19MA 左右比较合理前 面所针对是普通小功率LED004-008W 之间的LED 而言但大功率的LED 就必须查 其规格 3LED 的电压我们通常所说的是LED的正向电压就是说LED的正极接电源正极负极接电源 负极 电压与颜色有关系红黄黄绿的电压是 18-24v之间白蓝翠绿的电压是 30-36v 之间可能同样一批LED 的电压会有一些差异要根据厂家提供的为准 在外 界温度升高时VF 将下降LED 的反向电压 VR 所允许加的最大反向电压超过此值发光二极管可能被击 穿损坏 4LE 发光强度IIntensity简称光度指光源的明亮程度是说从光源一个立体角单位为 Sr 所放射出来的光通量也就是光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量单位是坎德拉 cd1000ucd 微坎德拉 mcd毫坎德拉 1000mcdcd也称烛光 发光强度是针对点光源而言的或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的可以说发光强度就是描述了光源到底有多亮因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述发光强度越大光源看起来就越亮同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮因此早些时 候描述手电都用这个参数现在 LED 也用这个单位来描述比如某LED 单位是mcd1000mcd1cd 因此mcd 就是15cd 之所以LED 用毫cdmcd接用cd来表示是因为以前最早LED 比较暗比如1984 年标准5mm 的LED 其发光 强度才0005cd 因此才用mcd表示用发光强度来表示亮度的缺点是如果管芯完全 一样的两个 LED 会聚程度好的发光强度就高因此还要看照射角度很多高LED并非提高自身的发射效率来达到而是把镜头加长照射角度变窄来实现 室内用单只LED 的光强一般为500ucd-50 mcd而户外用单只LED 的光强一般 应为100 mcd-1000 mcd 甚至1000 mcd 以上 发光强度为1cd的光源可放射出l257lm 光通量 光通量FFlux为一光源所放射出光能量的速率或光的流动速率为说明光源发光的能力的基本量即光源每秒钟所发出的可见光量之总和单位流明LmLumen 这个量是对光源而言是描述光源发光总量的大小的与光功率等价光源的光通量越大则发出的光线越多对于各向同性的光即光源的光线向四面八方以相同 的密度发射则 为发光角度也就是说若光源的I 为1cd 则总光通量1256lm 人眼对不同颜色的光的感觉是不同的此感觉决定了光通量与光功率的换算 关系对于人眼最敏感的555nm 的黄绿光1W 683lm 也就是说1W 的功率全部转 换成波长为 555nm 683流明这个是最大的光转换效率也是定标值因为人 眼对555nm的光最敏感对于其它颜色的光比如650nm 的红色1W 的光仅相当于73流明这是因为人眼对红光不敏感的原因对于白色光要看情况了因为很多不同的 光谱结构的光都是白色的例如 LED的白光电视上的白光以及日光就差别很大光 谱不同常用白光LED 流明举例006W3-5LM 02W13-15LM1W60-80LM 一个l00 的灯泡可产生l750lm 而一支 40w 冷白日光灯管则可产生 3l50lm 的光通量 照度EIluminance单位勒克斯即lx 以前叫lux 即受照平面上接受光通量的密度可用每一单位面积的光通量来测量 1lm 光通量均匀分布在l平方公尺m2的表面即产生1 勒克新LUXlX 的照度1lm 通量落在l平方英尺ft2 的表面其照度值为l 尺烛光Foot candlefC桌面工作面 的照度不应少于 150lX 起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想 其平均照度应达到l00lX左右阅读和书写用的灯具功率可大些照度应达到200lX 亮度亮度是指物体明暗的程度定义是单位面积的发光强度单位尼特nit光源发出的光通量除以光源的功率它是衡量光源节能的重要指标是以其所发出光的流明除以其耗电量所得之值单位每瓦流明Lmw 光源效率Lmw流明Lm 耗电量W 也就是每一瓦电力所发出光的量其数值越高 表示光源的效率越高也越为节能所以效率通常是我们经常要考虑的一个重要的 因素波长光的色彩强弱变化是可以通过数据来描述这种数据叫波长我们能见到的光 的波长范围在380 至780nm 之间单位纳米nm 波长分类波长分类图Wavelength nm RELATIVE INTENSITY Vs WAVELENGTH430nmBlue470nmBlue 568nmYellowGreen 660nmsuperRed 700nmBrightRedGaAlAs880nm 10 GaAsGaAs GaAlAsGaAs 940nm 10 显色性光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性也就是颜色逼真的程度通常叫 做"显色指数"单位 Ra光源的显色性是由显色指数来表明它表示物体在光下颜色 比基准光太阳光照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性显色性高的光源对颜色表现较好我们所见到的颜色也就接近自然色显色性低的光源对颜色表 现较差我们所见到的颜色偏差也较大国际照明委员会 CIE把太阳的显色指数定 100各类光源的显色指数各不相同如高压钠灯显色指数 Ra 23 荧光灯管显 色指数 Ra 6090显色分两种忠实显色能正确表现物质本来的颜色需使用显色 指数 Ra 高的光源其数值接近100 显色性最好 色坐标CIE 色坐标图11色温 光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时黑体的温度称为该 光源的色温 单位开尔文k 色温究竞是指什么我们知道通常人眼所见到的光线是由光的三原色红绿蓝 组成的7 种色光的光谱所组成色温就是专门用来量度光线的颜色成分的用以计算光线颜色成分的方法是 19 世纪末由英国物理学家洛德凯尔文所创立的他制定出了一整套色温计算法而其具体界定的标准是基于以一黑体辐射器 所发出来的波长凯尔文认为假定某一纯黑物体能够将落在其上的所有热量吸收而没有损失 同时又能够将热量生成的能量全部以光的形式释放出来的话它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色例如当黑体受到的热力相当于时就会变成暗 红色达到1050一1150时就变成黄色因而光源的颜色成分是与该黑体所受的热 力温度相对应的只不过色温是用凯尔文 也就是绝对温度的色温单位来表示而不是用摄氏温度单位表示的在加热铁块的过程中黑色的铁在炉温中逐渐变成红色这便是黑体理论的最好例子当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时它就由红转变橙黄色黄色最后变成白色通常我们所用灯泡内的 钨丝就相当于这个黑体色温计算法就是根据以上原理用K来表示受热钨丝所 放射出光线的色温根据这一原理任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样 颜色时所受到的温度颜色实际上是一种心理物理上的作用所有颜色印象的产生是由于时断时续 的光谱在眼睛上的反应所以色温只是用来表示颜色的视觉印象摄影人都知道有光才有色没有光就没有色 彩色胶片的设计一般是根据能够真实地记录出某一特定色温的光源照明来 进行的分为5500灯光型等多种因而摄影家必须懂得采用与光源色温相同的彩色胶卷才会得到准确的色彩再现如果光源的色温与胶卷的色温互相不平衡就不会对色彩进行准确的还原这时我们就要靠滤光镜来提升或降低光源的色温使曝光条件与胶卷拟定的色温相匹配才会有准确的色彩再现而数码照相机摄像机等要求进行白平衡调整实际上也就是对数码机器进行拍摄环境 的基础色温定位目的是同样的为了色彩的准确再现如何准确地进行色温定位这就需要使用到色温计啦一般情况下正午 10点晴朗无云的天空在没有太阳直射光的情况下标准日光大约在K 新闻摄影灯的色温在3200K一般钨丝灯照相馆拍摄黑白照片使用 的钨丝灯以及一般的普通灯泡光的色温大约在 2800K 由于色温偏低所以在这种情况下拍摄的照片扩印出来以后会感到色彩偏黄色而一般日光灯的色温在K左右所以在日光灯下拍摄的相片会偏青色这都是因为拍摄环境的 色温与拍摄机器设定的色温不对造成的一般在扩印机上可以进行调整但如果拍摄现场有日光灯也有钨丝灯的情况我们成为混合光源这种片子很难进行调整 不同光源环境的相关色温度 光源 色温 北方晴空8000-8500k 阴天 6500-7500k 日正午阳光5500k 金属卤化物灯 4000-4600k 下午日光 4000k冷色莹光灯 4000-5000k 高压汞灯 3450-3750k 2500-3000k卤素灯 3000k 钨丝灯 2700k 高压钠灯1950-2250k 蜡烛光 2000k 光源色温不同光色也不同色温在 3000k 以下有温暖的感觉达到稳重的气氛色温在3000k-5000k 为中间色温有爽快的感 觉色温在5000k 以上有冷的感觉 12 眩光视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比所造成的视觉不舒适称为眩光 眩光是影响照明质量的重要因素 13 发光角度二极管发光角度也就是其光线散射角度主要靠二极管生产时加散射剂来控 制有三大类520或更小具有很高的指向性可作局部照明光源用或与光检出器联用以组成自动检测系统散射型这是视角较大的指示灯发光角度为4590或更大散射剂的量较 LED的发光角度是LED 应用产品的重要参数 14 同步性两个或两个以上 LED 灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行一般 指内控方式的LED 灯同步性是LED 灯实现协调变化的基本要求15 防护等级 IP 防护等级是将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级由两个数字所组成第 一个数字代表灯具防尘防止外物侵人的等级分 0-6级第二个数字代表灯具防湿 气防水侵人的密封程度分0-8 级数字越大表示其防护等级越高 16 光谱光谱是复色光经过色散系统如棱镜光栅分光后被色散开的单色光按波长或 频率大小而依次排列的图案光波是由原子内部运动的电子产生的.各种物质的原子内部电子的运动情况不同所以它们发射的光波也不同.研究不同物质的发光和吸收光的情况有重要的 理论和实际意义已成为一门专门的学科光谱学.吸收光谱高温物体发出的白光其中包含连续分布的一切波长的光通过物质 时某些波长的光被物质吸收后产生的光谱叫做吸收光谱例如让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气在酒精灯的灯心上放一些食盐食盐受热分解就会产生钠气然后用分光镜来观察就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线这就是钠原子的吸收光谱.值得注意的是各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应.这表明低温气体原子吸收的光恰好就是这种原子在高温时发出的光.因此吸收光谱中的谱线暗线也是原子的特征谱线 只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少.在我们眼里大部分光源所发出的光皆通称为白光实际上肉眼看上去的不同 光源所发出的白光会因色温的高低而呈现不同的颜色光色愈偏蓝色温愈高则色温愈低人的眼睛有时会被自己的感觉所愚弄感到差异不大但在我们拍摄照片上可以看到最直接的效果比如在睛空下拍摄的照片可能会发蓝发冷而在灯光下拍摄的照片不打开闪光灯会呈现明显暖调的橙红色 17是指人眼直接观察光源时所看到的颜色街道高压钠灯发出的光既亮且白但当看到被照射的人的面孔时显表灰色这说明高压钠灯的色表并不差但显色性不18平均寿命 指一批灯至50 的数量损坏时的小时数单位小时h 19 经济寿命在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下其综合光束输出减至特 定的小时数室外的光源为70 室内的光源为80 20LED 象素模块LED 排列成矩阵或笔段预制成标准大小的模块室内显示屏常用的有 88 象素 模块8段数码模块户外显示屏象素模块有象素等规格户外显示屏用 的象素模块因为其每一象素由两只以上LED管束组成固又称其为集管束模块 21 象素 Pixel 与象素直径 LED 显示屏中每一个可被单独控制的LED 发光单元 称为象素或象元素直径是指每一象素的直径单位是毫米对于室内显示屏一般一个为单个 LED 外形为圆形室内显示屏象素直径校常 见的有等其中以375 和50 最多 在户外环境为提高亮度增加视距一个象素含有两只以上集束 LED 由于两只 以上集束 LED一般不为圆形固户外显示屏象素直径一般用两两象素平均间距表 示 22 点间距象素密度与信息容量 LED显示屏的两两象素的中心距或点间距 Dot Pitch 单位面积内象素的数量称为象素密度单位面积内所含显示内容的数量称为信息容量这三者本质是描述同一概念点间距是从两两象素间的距离来反映象素密度点间距和象素密度是 显示屏的物理属性信息容量则是象素密度的信息承载能力的数量单位点间距越小象素密度越高信息容量越多适合观看的距离越近 点间距越大象素密度越低信息容量越少适合观看的距离越远 23 分辨率 LED显示屏象素的行列数称为LED 显示屏的分辨率分辨率是显示屏的象素总 量它决定了一台显示屏的信息容量 24 灰度灰度是指象素发光明暗变化的程度一种基色的灰度一般有8 级至1024如若每种基色的灰度为256级对于双基色彩色屏其显示颜色为 64K 亦称该屏为256色显示屏 25 双基色现今大多数彩色LED显示屏是双基色彩色屏即每一个象素有两个LED 管芯一为红光管芯一为绿光管芯红光管芯亮时该象素为红色绿光管芯亮时该象素为绿 色红绿两管芯同时亮时则该象素为黄色其中红绿称为基色 26 全彩色红绿双基色再加上蓝基色三种基色就构成全彩色由于构成全彩色的蓝色管 和纯绿色管芯较贵故目前全彩色屏相对较少 下面为主要的LED照明需要的性能指标 名称 流明Lm 发光体每秒种 所发出的光量之总和即光通量 光强 坎德拉cd 发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量 照度 勒克斯Lmm2 发光体照射在 被照物体单位面积上的光通量 亮度 cdm2发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量 每瓦流明Lmw 电光源将 电能转化为光的能力以发出的光通量除以耗电量来表示 平均寿命指一批灯至百分之五十的数量损坏时的小时数经济寿命 小时 同时考虑灯的损坏以及光束输出衰减的状况下其综合光束输出减至一特定的小时数此比例用于室外的光源为百分之七十用于室内的光源如日光灯则为百分之八十 7LED 极限参数的意义 允许功耗Pm 允许加于 LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大 值超过此值LED 发热损坏最大正向直流电流IFm允许加的最大的正向直流电流超过此值可损坏二极 最大反向电压VRm所允许加的最大反向电压超过此值发光二极管可能被击穿损坏 工作环境topm 发光二极管可正常工作的环境温度范围低于或高于此温度 范围发光二极管将不能正常工作效率大大降低 8LED的分类 按发光管发光颜色分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 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φ 2mmφ 44mmφ5mmφ 8mmφ 10mm 国外通常用T代表Tube 表示管状的灯管直径T 后面的数字表示灯管直径T8 就是有8 一个T就是18英寸 英寸254mm 那么每一个T 就是2548=3175mm T8灯管 T8 灯管的直径就是 88 254=254mm [T8的刚好是直径一英寸 的灯管] 5~20或更小具有很高的指向性可作局部照明光源用或与光检出器联用以组成自动检测系统散射型这是视角较大的指示灯半值角为45~90或更大散射剂的量较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 10mcd 把发光强度在 10~100mcd间的叫高亮度发光二极管达到或超过100mcd 的称超高亮度 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 按照封装式样和用途分SMD 型LED SMD 是目前LED0>最新的发展目前主要被应用于 3C 科技商品上如手机屏 maxbook118commaxbook118com讯号灯等应用上照射角度大所以光束能够均匀扩 散但是制作成本极高 表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法这个里面也有多中类别按形状大小分0 等等一般SMD 都是菱形的所以其叫法都是根据长宽的尺寸来叫行业善用的都是英寸不是毫米也有用毫米叫的不如mm 发光颜色和胶体的种类和LAMP LED产品一样只是产品的形状发生了很大的 变化 LAMP 型LED LAMP 的体积大且照射角度较小因而光束为聚光型主要应用在户maxbook118com 灯交通号志灯 产品的也有叫它插件LED的不管怎么样只要是直插式的都归与一 种而LED 种类里面还有很多种类按胶体形状分 3mm4mm5mm8mm10mm12mm 方形椭圆形墓碑形还有一些特殊形状 等等按胶体颜色分无色透明有色透明有色散射无色散射等 按颜色分红色red 橙色orange 黄色yellow 黄绿色green yellow绿色 green 蓝绿色blue green 蓝色blue 紫色pink 紫外线uv 白色white 红外线等等 食人鱼型LED食人鱼则是兼具了SMD 及LAMP 的优点且照射角度也比LAMP 大加上防水技术成熟且拥有高亮度省电力长寿命的特性可对应汽车室内灯较大之车种超优质量超低价格已成为目前巿场上最物美价廉的最佳车内照明选择而因技术已成熟所 以制作成本较 SMD便宜目前均被广泛的应用在汽车照明系统物超所值所以深受 开车族的喜爱 这个是因 LED的发光效率不能满足汽车使用其要求所以就开发了这个产品 是小功率产品其驱动电流一般在50MA 一般LED 用的20MA最高电流可以达到70mA 就是因为其散热比较好一般用在汽车后尾灯 大功率power led 现有照明的LED 产品它有以下分类按功率分1w3w5w 等等 按顶部发光透镜分平头聚光酒杯形状等 按工艺还有铝基板的和防luminous数码管Display最早用在来做显示屏和数码显示用的 按外形分1 位等等表面颜色灰面黑胶的也有黑面白胶的等等 极性共阴共阳颜色也和LAMP LED 一样可以做很多种类 点阵LED Dot Matrix这个产品和数码管差不多都是应用在信息显示的其间距和孔的直径有改变 都是不同的产品现在一般分57 和88 的其颜色有单色双色三基色的等等 按颜色分单红单绿双基色三基色等 按孔的直径分Φ20Φ30Φ375Φ50 还有一些其它的产品如像素管cluster测光源LEDSide Light Source 红外 线接收和发射产品Infrared Photodiode 等等 红外线 IR LED三元芯片GaAlAsGaAs 波长940nm 工作电压电流13V50mA 遥控器用的比较多 红外线 IR LED 三元芯片GaAlAs波长850nm 工作电压电流15V50mA 外线监视器辅助照明正红光 LED-- 三元芯片 GaAlAs 波长 660nm工作电压电流 1720V20mA 亮度 较低衰减快用途少 红光 LED-- 四元芯片 AlGaInP 波长 630nm 工作电压电流1822V20mA 亮度 高寿命长一般用来取代正红光用途有红绿灯的红灯汽机车尾灯煞车灯全彩 LED 广告牌的红光等 LED--四元芯片AlGaInP 波长 610nm 工作电压电流 1822V20mA 亮度 高但用途少 黄光 LED-- 四元芯片 AlGaInP 波长592nm 工作电压电流 1822V20mA 亮度 高寿命长用途有红绿灯的黄灯汽机车方向灯等 黄绿光 LED-- 四元芯片AlGaInP 波长 570nm 工作电压电流 1822V20mA 度较低但用途不少计算机机壳电源灯红绿双色字幕机等草绿光 LED--GAN 芯片 InGaNSiC 波长 525nm 工作电压电流 3036V20mA 亮度高用途大部分是全彩LED 广告牌的绿光绿光LED-- GAN 芯片 InGaNSiC 波长515nm 工作电压电流3036V20mA 亮度 高一般用途 青绿光 LED--GAN 芯片 InGaNSiC 波长 525nm 工作电压电流 3036V20mA 亮度高大部分用在红绿灯的绿灯 蓝光LED--GAN 芯片 InGaNSiC 波长470nm 工作电压电流3036V20mA 亮度 高用途很广包括全彩LED 广告牌的蓝光白光LED-- GAN 芯片 InGaNSiC 工作电压电流3036V20mA 亮度高寿命长光色稳定不闪烁现在已经可以做小区域照明之用明年开始将会全面取代中小型 LCD 面板的冷阴极管当背光源 9LED 的适用范围和各类应用LED 照明灯具里底灯吊灯投射灯等装饰用反射用途的LED 照明灯具可以完全胜任于任何场合包括美术馆博物馆等对颜色度要求较高的场所但是对于商场写 字楼等大规模设施来说作为大范围照明的 LED灯具虽然已经诞生但是其指向性 LED 芯片发出的光是直线发散性不好 太高造成大面积内设计平均的照度很困难 灯管型 LED照明灯具排列过密设计成本过高失去节能效果因此现阶段装饰用途 场合LED 照明灯具完全可用大面积室内照明还不成熟 分类 材料 应用领域可见光LEDnm GaPGaAsPAlGaAs家电信息产品通讯产品消费性电子产品 高亮度 AlGaInP 红橙黄光大型广告牌交通号志背光源汽车第三煞车灯 GaInN 蓝绿光 GaInN 萤光粉 白光 照明用 LED 的应用主要可分为三大类LCD屏背光LED 照明LED 显示 1maxbook118comD 屏的背光 例如手机PDAMP34 等便携设备的LCD 屏都需要LED来背光 27 寸LCD 屏的背光如数码相框 大尺寸LCD屏的背光如LCD TVMonitor 笔记本电脑 目前大部分LCDTVMonitor 笔记本电脑的LCD 屏是采用的CCFL 荧光灯管做 背光因CCFL 寿命环保等不利原因目前正朝向采用LED背光发展按LCD 屏的尺寸 大小一般需要数十个到上百个白光LED 做背光而其LED 驱动IC 市场潜力将会很 4LED手电筒小功率LED 手电筒强光LED 手电筒LED 矿灯 5LED 草地灯 6LED 照明照明经过白炽灯日光灯到现在比较普遍的节能灯再下个阶段应该就是 LED 照明灯的普及了这里需要超高亮度的LED超长寿命极低功耗将是LED 灯很大的优 势同时成本考虑也是一个关键 7LED 显示 我们在公交车地铁里都能看到各样的 LED字幕显示屏并且在户外也有不少 大屏幕 LED 点阵显示屏幕从远处看就是一个比较清晰的超大屏幕电视机这里需 要用到专用的LED显示控制芯片 10LED 产业链分布 11LED 发展现状 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下节约能源是我们未来面临的重要的问题在照明领域LED 发光产品的应用正吸引着世人的目光LED 作为一种新型 的绿色光源产品必然是未来发展的趋势二十一世纪将进入以LED 为代表的新型 照明光源时代 中国LED 产业起步于20 世纪70 年代经过30 多年的发展中国LED 产业已初步形成了包括LED 外延片的生产LED 芯片的制备LED 芯片的封装以及LED 产品应用在内的较为完整的产业链在国家半导体照明工程的推动下形成了上海大连南昌厦门深圳扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地长三角珠三角闽 三角以及北方地区则成为中国LED 产业发展的聚集地目前中国半导体照明产业发展向好外延芯片企业的发展尤其迅速封装企业 规模继续保持较快增长照明应用取得较大进展2007 年中国LED应用产品产值已 超过300 亿元已成为LED 全彩显示屏太阳能LED 景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国新兴的半导体照明产业正在形成国内在照明领域已经形成一定特 色其中户外照明发展最快已有上百家 LED路灯企业并建设了几十条示范道路但 在室内通用照明市场方面仍显落后 2008 年北京奥运会对 LED 照明的集中展示让人们对 LED有了全新的认识有 力推动了中国半导体照明产业的发展当前中国半导体产业产业大而不强核心竞争力仍有待于进一步提升对国内企业而言壮大规模提高产品质量与技术水平是首要任务提高未来取得大厂专利授权时的要价能力或逐步通过研发突破核心专 12LED发展趋势 LED被称为第四代照明光源或绿色光源具有节能环保寿命长体积小等特点 可以广泛应用于各种指示显示装饰背光源普通照明和城市夜景等领域近年来世界上一些经济发达国家围绕LED 的研制展开了激烈的技术竞赛美国从2000 投资5亿美元实施国家半导体照明计划欧盟也在2000月宣布启动类似的彩虹计划我国科技部在863 计划的支持下2003 月份首次提出发展半导体照明计划 多年来LED照明以其节能环保的优势已受到国家和各级政府的重视各地纷 纷出台相关政策和举措加快 LED 灯具的发展大众消费者也对这种环保新型的照明产品渴求已久但是由于投入在技术和推广上的成本居高不下使得令万千消费 者翘首以待的LED照明产品一直可望而不可及迟迟未能揭开其神秘的贵族面纱 随着国内部分厂家技术和生产成本的降低 LED 照明叫好而不叫座的局面行将改变价廉物美的 LED 照明产品将给中国照明行业带来革命性的冲击为广大消 费者带来光明的福音 总结LED 照明设计 LED照明灯具备受期待的原因就是节能使用寿命长确实与白炽灯相比目前 的球泡型LED 灯效率更高但是荧光灯与LED照明灯具相比还是荧光灯较高这是因 为虽然单独的 LED 芯片比荧光灯效率高但是由于发热降低了发光效率交流电转换成直流电时电源效率变低以及由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低 进而造成整个LED 照明灯具的效率下降 因此为了实现 LED的节能长寿命必须对热电光进行各种设计单纯依靠 LED 封装并不能发挥LED 的优势 第二章 LED 衬底材料的基本知识 1LED衬底的概念和作用 衬底又称基板也有称之为支撑衬底衬底只要是外延层生长的基板在生产和制作过程中起到支撑和固定的作用它与外延层的特性配合要求比较严格否则会 影响到外延层的生长或是芯片的品质 2LED 衬底材料的种类对于制作 LED 芯片来说衬底材料的选用是首要考虑的问题应该采用哪种合 适的衬底需要根据设备和LED器件的要求进行选择目前市面上GaN基系列一般有 三种材料可作为衬底 蓝宝石Al2O3 Si碳化硅SiC 除了以上三种常用的衬底材料之外还有 GaASAlNZnO等材料也可作为衬底通 常根据设计的需要选择使用 蓝宝石衬底通常 GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上蓝宝石衬底有许多的优点首先 蓝宝石衬底的生产技术成熟器件质量较好其次蓝宝石的稳定性很好能够运用在高温生长过程中最后蓝宝石的机械强度高易于处理和清洗因此大

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