《精编》LED基础知识与发展趋势

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1、Led知识 目录 一 LED简介二 LED发展趋势三 LED芯片介绍四 LED封装简介五 LED基础知识 LED简介 1 LED的定义2 LED的特点3 发光原理 什么是LED LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写 中文译为 发光二极管 顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性 LED光源的特点 电压 LED使用低压电源 单颗电压在1 9 4V之间 比使用高压电源更安全的电源 效能 光效高 目前实验室最高光效已达到161lm w cree 是目前光效最高的照明产品 抗震性 LED是固态光源 由于它的特殊性 具有其他光源产品不能比拟的抗震性

2、稳定性 10万小时 光衰为初始的70 响应时间 LED灯的响应时间为纳秒级 是目前所有光源中响应时间最快的产品 环保 无金属汞等对身体有害物质 颜色 LED的带快相当窄 所发光颜色纯 无杂色光 覆盖整过可见光的全部波段 且可由R G B组合成任何想要可见光 LED色彩丰富 由于LED带宽比较窄 颜色纯度高 因此LED的色彩比其他光源的色彩丰富得多 据有关专家计算 LED的色彩比其他光源丰富30 因此 它能够更准确的反应物体的真实性 当然也更受消费者的青睐 LED发光原理 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片 在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层 称为p n结 在某些半导

3、体材料的PN结中 注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 PN结加反向电压 少数载流子难以注入 故不发光 LED发展趋势 1 LED光源的发展趋势2 LED产业政策和机遇3 公司在产业链中的位置 LED光源的发展趋势 LED光源技术市场前景 LED理论上每瓦的发光效率高达370LM W 在目前芯片结构不做任何改变的情况下良好的工艺让LED每瓦到达150LM没有任何问题 当达到这种亮度的时候 所有的照明领域基本上都可以替代了 预计在未来1 3年内LED光源将达到每瓦300流明的光效率 目前美国实验室的LED已达到了每瓦161流明的光效率 总光

4、通量为175LM LED应用历 推动LED产业的国家政策 刺激LED产业发展国家政策1 2008年 财政部 国家发改委联合发布 高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法 将重点支持高效照明产品替代在用的白炽灯和其他低效照明产品 主要包括普通照明用自镇流荧光灯 三基色双端直管荧光灯 T8 T5型 和金属卤化物灯 高压钠灯等电光源产品 半导体 LED 照明产品 以及必要的配套镇流器 国家采取间接补贴方式进行推广 即统一招标确定高效照明产品推广企业及协议供货价格 财政补贴资金补给中标企业 再由中标企业按中标协议供货价格减去财政补贴资金后的价格销售给终端用户 暂行办法 规定 大宗用户中央财政按中标协议

5、供货价格的30 给予补贴 城乡居民用户中央财政按中标协议供货价格的50 给予补贴 2 国务院出台4万亿元规模的经济刺激计划将惠及诸多行业领域 4万亿投资的具体构成主要包括 近一半投资将用于铁路 公路 机场和城乡电网建设 总额1 8万亿元 用于地震重灾区的恢复重建投资1万亿元 用于农村民生工程和农村基础设施3700亿元 生态环境3500亿元 保障性安居工程2800亿元 自主创新结构调整1600亿元 医疗卫生和文化教育事业400亿元 预计4万亿经济刺激每年将拉动经济增长约1个百分点 LED产业前景 LED产业市场规模三年有望翻一番在全球能源短缺 环保要求不断提高的情况下 已结束的2008年北京奥运

6、会和即将到来的2010年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题 这给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇 据国内有关机构预测 在奥运 世博的强力带动下 中国LED照明市场规模将从2007年的48 5亿元快速增长至2010年的98 1亿元 不久前结束的北京奥运会上 LED照明技术在奥运历史上首次大规模使用并获得成功 据官方统计 北京奥运会总共包括36个比赛场馆 其照明产品需求就达5亿元左右 这还不包括奥运村 奥运花园等其他公共照明设施市场 实例 水立方 LED照明除了比用常规照明至少节能60 以外 还拥有长寿命 易集成 快响应 利环保 光分布易于控制 色彩丰富等优势 以 水立方 为例 仅

7、使用LED灯的 水立方 景观照明工程 预计全年可比传统的荧光灯节电74 5万千瓦时 节能达70 以上 实例 梦幻长卷 和 梦幻五环 相信奥运会开幕式的 梦幻长卷 和 梦幻五环 大家还记忆犹新 它被展现在一个4564平方米的巨大LED大屏幕上 这是迄今为止世界上最大的单体全彩色大屏幕 升入空中的 梦幻五环 则是由4 5万颗LED灯编排而成的 梦幻五环 梦幻长卷 LED照明产业商机 2009年LED照明产业的商机1 国务院出台4万亿元规模的经济刺激计划中 有1 8万亿元用于铁路 公路 机场和城乡电网建设 1万亿元用于地震重灾区的恢复重建 这无疑给中国LED照明产业带来巨大的商机 2 即将到来上海世

8、博会将给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇 北川重建规划 上海世博会 LED产业链 史福特所在位置 史福特所在位置 史福特所在位置 LED芯片介绍 1 LED芯片分类介绍2 不同结构LED芯片的性能简介3 垂直结构LED芯片的制成 Led芯片的结构 LED芯片有两种基本结构 水平结构 Lateral 和垂直结构 Vertical 横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧 电流在n 和p 类型限制层中横向流动不等的距离 垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧 由于图形化电极和全部的p 类型限制层作为第二电极 使得电流几乎全部垂直流过LED外延层 极少横向流动的电

9、流 可以改善平面结构的电流分布问题 提高发光效率 也可以解决P极的遮光问题 提升LED的发光面积 制造垂直结构LED芯片技术主要有三种方法 一 采用碳化硅基板生长GaN薄膜 优点是在相同操作电流条件下 光衰少 寿命长 不足处是硅基板会吸光 二 利用芯片黏合及剥离技术制造 优点是光衰少 寿命长 不足处是须对LED表面进行处理以提高发光效率 三 是采用异质基板如硅基板成长氮化镓LED磊晶层 优点是散热好 易加工 目前主流Led结构剖析 两种芯片发光形式 水平型结构Led出光路线 垂直型芯片性能介绍 由于当前芯片主要是垂直型的和水平型的两种 垂直型产品以CREE芯片为代表特点主要是 光效高 最高可达

10、161lm w 节能 电压低 蓝光在2 9 3 3V 热阻小 芯片本身的热阻小于1 C W 亮度高 由于采用垂直结构 电流垂直流动 电流密度均匀 耐冲击型强 同一尺寸芯片 发光面宽 亮度高 光型好 85 以上光从正面发出 易封装 好配光 唯一的缺点就是 不方便集成封装 若要集成封装 芯片需做特殊处理 我公司全部采用垂直结构的芯片 水平型芯片性能介绍 水平型产品以普瑞芯片为代表 芯片的主要特点是 光效一般 最高在100lm w左右 电压高 蓝光在3 4 4V 热阻高 使用蓝宝石衬底导热性差 芯片本身的热阻在4 6 C W 亮度一般 由于采用水平结构 电流横向动 电流密度不均 容易局部烧坏 为弥补

11、这一缺陷 在芯片的上表面做ITO ITO将以减少出光为代价 同一尺寸芯片 发光面窄 亮度低 光利用率低 65 左右的光从正面发出 35 的光从侧面发出 靠反射来达到出光 利用率低 唯一的优点就是 便于集成封装 不过 它也是缺点 由于没解决好散热 所以集成封装只有加速它的衰减 不可取 垂直芯片剖析 垂直芯片的制成 垂直LED制造的方法 制造垂直结构LED芯片有两种基本方法 一 剥离生长衬底 二 不剥离生长衬底 其中生长在砷化镓生长衬底上的垂直结构GaP基LED芯片有两种结构 一 不剥离导电砷化镓生长衬底 在导电砷化镓生长衬底上层迭导电DBR反射层 生长GaP基LED外延层在导电DBR反射层上 二

12、 剥离砷化镓生长衬底 层迭反射层在GaP基LED外延层上 键合导电支持衬底 剥离砷化镓衬底 导电支持衬底包括 砷化镓衬底 磷化镓衬底 硅衬底 金属及合金等 LED封装 1 LED封装图工艺2 白光LED制造方法3 白光LED色区的划分4 LED与传统灯具的对比 LED封装 白光LED的实现方法 白光LED的实现方法 一 配色 白平衡白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成 当光线中绿色的亮度为69 红色的亮度为21 蓝色的亮度为10 时 混色后人眼感觉到的是纯白色 但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果 而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光 称为配色 二 LED采用荧

13、光粉实现白光主要有三种方法 但它们并没有完全成熟 由此严重地影响白光LED在照明领域的应用 白光LED的实现方法 第一种方法是 在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉 芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光 该技术被日本Nichia公司垄断 而且这种方案的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3 离子的发射光谱不具连续光谱特性 显色性较差 难以满足低色温照明的要求 同时发光效率还不够高 需要通过开发新型的高效荧光粉来改善 第二种方法是 在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉 通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光 该类产品虽显色性较好 但所用荧光粉的转换效率较低 尤其

14、是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高 因此推广也较慢 白光LED的实现方法 第三种方法 在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉 利用该芯片发射的长波紫外光 370nm 380nm 或紫光 380nm 410nm 来激发荧光粉 从而实现白光发射 该种LED的显色性更好 但存在与第二种方法类似的问题 且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系 这类荧光粉发光稳定性差 光衰较大 故还没批量使用 其他方法 在特殊的场合 白光LED还有其他几种封装方法 这里简单的介绍一下 第一种 将红 蓝 绿三芯片封装在一起 按照一定的比例对其光色进行控制 混出白光 第二种 实现方法是用红 蓝

15、绿 黄四芯片混出白光 白光LED色区的划分 蓝色芯片加黄色荧光粉所制成白光LED 是目前白光LED制造的主流 由于制程的缺陷 白光LED存在色差在所难免 如何划分LED的颜色才是最佳的呢 下面我来简单的介绍一下 市场上通常所说的3500K 4000K 6500k等等多少色温的说法其实不是很科学的 因为从CIE图中我们可以看出 同一色温在图中不是对应唯一的点 它跟色坐标是一对多的关系 为了解决这一问题 行业中通常将自己生产的LED对其色坐标进行归纳总结 最终将其肉眼看起来差别不明显的LED归到一起 这样分选出来的LED在CIE中就对应了一个小小区域 这就是色区 用色区来划分LED产品 是整过行业

16、通用的方法 请看下图 白光LED色区的划分 WhiteBinningInformation 白光LED色区划分坐标 YA80000 2829680 2837720 3075530 3107780 3111630 2931920 2899220 270316VM53000 3286360 3689520 3481470 3856290 3469040 3717420 3288230 356917 Y080000 2742380 3006670 3030510 3327080 3075530 3107780 2829680 283772WQ60000 3186060 3102010 3293930 3202110 3295440 3104950 3195970 301303 LED封装形式 为满足不同产品的需要 LED的封装形式也出现了多样化 下面简单介绍一下 LED封装形式 LED的与传统效率对比 灯具总效率对照 光源发展的历史 白炽灯 直管型荧光灯 高效电子节能灯 LED灯 各种光源灯具的实际效率 各种光源灯具的实际效率 LED计算 90 0 90 0 90 0 9 65 6流明 瓦荧