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1、本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 题 目：新兴能源 LED 行业的诞生和崛起 学生姓名： 蒋 骄 准考证号： 014308210814 主考院校：中国地质大学 专 业：电子信息工程技术 指导老师： 职 称： 评阅老师： 职 称： 2011 年 4 月 2 日本科毕业论文原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业论文是在导师指导下进行的研究工作所取得的研究成果，论文中引用他人文献、数据、图件、均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得其它考试机构的学位或证书而使用的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业论文作者（
2、签字：）签字日期： 年 月 日摘 要发光二极管(LED)是一种电致发光的光电器件。早在 1907 年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光 LED 已是 1969 年了。到今天 ,LED 已生产了 30 多年,回顾过去,它已茁壮成长。各种类型的 LED、利用 LED 作二次开发的产品及与 LED 配套的产品(如白光 LED 驱动器)发展 迅速, 新产品不断上市,已发展成不少新型产业。展望将来,还期望更进一步地提高。LED 在照明工程中的运用已非常普遍，但照明设计人员苦于非常有限的产品选择，而生产企业研发的产品却难以找到市场。就这个问
3、题文中讨论了 LED 在照明工程中是如何应用的，并提出了 LED 产品研发的设计要求，目的是使 LED 照明灯具的生产与研发更具有针对性。 【关键词】LED； 能源 ；电力 ；显示屏【Abstract】Light-emitting diode (LED) is an electroluminescent optoelectronic devices. As early as 1907, people found that some diodes made of semiconductor materials in the light when the forward pass a physic
4、al phenomenon, but the efficiency of production of certain red LED light is a 1969. Today, LED has produced more than 30 years, the past, it has to grow. Various types of LED, LED for use of the secondary development of LED products and and supporting products (such as white LED driver) the rapid de
5、velopment of new products market, has developed into many new industries. Looking to the future, is also expected to improve further.LED lighting project in the use is very common, but lighting designers suffer from a very limited product selection, product research and development and production ar
6、e difficult to find a market. Paper on this issue is discussed in LED lighting project is how to apply, and proposed the design of LED product R D requirements, the purpose is to enable the production of LED lighting and the development of more targeted.一、的发展早期的 LED 主要用于做指示灯。它的发光强度不高,一般小于 1mcd,高的也仅几
7、个mcd;另外,发光效率也不高,一般小于 0.21m/W,其功率仅几十 mW 到上百个 mW(属于小功率 LED)。本文就从发光强度提高说起。 发光强度及发光效率的提高 作为指示灯方面的应用,有几个 mcd 的发光强度也可以了,但由 LED 组成的数码管或字符管则显得亮度不足,若要用于户外作信号或标志显示,则其亮度太低,不能满足使用的要求。所以 LED 的主要发展方向是提高发光强度(也就是一般所指的提高亮度)。 随着半导体材料及半导体工艺技术、设备的发展,LED 的亮度不断提高,开发出高亮度及超高亮度 LED,并且不断创造新记录。 笔者用现有的 LED 资料 ,以中 5 标准封装、发红光、视角
8、差不多的 LED 为例,以不同的生产年份的发光强度来说明 LED 发光强度提高的情况,如表 1 所示。 从表 1 可以看出,近 30 年 LED 的发光强度提高了 8000 倍左右。19691987 年LED 的发光强度是很低的,发展很慢,但 19942005 年 LED 的亮度有很大的发展。表 1中列出的并非发光强度最高的。例如,在 GaAs 的衬低上采用 AIlnGaP 工艺技术制成的5、红光 LED,在小视角 4、50mA 工作电流时,其典型发光强度为 20000mcd。 LED 另一个重要性能指标是发光效率 ,用 1m/W 来表达。各年份生产的 LED 发光效率如表 2 所示。 从表
9、2 可以看出,这 30 多年来,LED 的发光效率提高了 250 倍以上。1970-1990 年 LED发光效率提高较慢,1990-2005 年则提高较快。例如,Cree 公司生产的 lW 白光 LED XL7090WHT,其发光效率可达 601m/W。 XL7090WHT 是超高亮度、小尺寸封装的白光 LED。XL7090WHT 的发光强度大,电流 350mA 时的典型光通量为 601m,在瞬态脉冲电流 700mA 时典型光通量可达 981m,而目前一般 1W 白光 LED 的光通量为 3045lm),XL7090WHT 的发光效率高达601m/W,视角宽达 100,封装尺寸仅为 9mmx7
10、mmx4.3mm,工作温度范围是-20+80。 由于 XL7090WHT 发光强度大、发光效率高,因此它适用于家庭、商业或公共场所明、DVD、笔记本电脑、电视机的彩色显示屏的背光,广告灯、路灯及标志灯,汽车及运输工具的内外照明及数码相机的闪光灯等。 从表 1 和表 2 也可以看出,LED 的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的 LED 主要用 GaAs、GaP( 二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料),1994 年左右采用 AIInGaP(四元素半导体材料)后,其发光强度及发光效率有很大的提高。另外,在工艺技术上采用在 GaAs 衬底上用 A
11、ilnGaP 材料生产的红光、黄光 LED 及在 SiC 衬底上用 InGaN 材料生产的绿光、蓝光 LED,在发光强度及发光效率上有较大的改进。 LED 的功率提高 我们知道 LED 的发光强度与正向电流 IF,几乎成线性关系,即增加正向电流 IF 可增加发光强度。但 LED 有一个最大功耗 PD 值的限制,P D=VFxIF(VF 为正向压降),若过大地增加 IF 而使 PD 超过最大值时,LED 会过热而损坏。为了要提高发光强度,开发出中功率LED(一般为几百 mW),其工作电流也提高到 70mA。近年来,为进一步提高发光强度,开发出大功率 LED,其功率一般为 110W( 有一些还大于
12、 10W)。它的工作电流一般为350700mA,有些可达 1A 以上。 以 American Opto Plus LED 公司生产的 5W 的 PU-5WXX 系列为例,在 700mA 电流下,其结温了 Tj 为 25,其典型发光强度如表 3 所示(大功率 LED 的发光强度用光通量表示)。从表 3 可以看出,除蓝光 LED 的发光强度及发光效率较低外,其他发光颜色的发光强度及发光效率都相当高。 早期生产的 LED 是小功率的 (几十至上百 mW),现在已能生产大于 10W 的大功率LED,在功率上增加了 100 倍以上。 虽然说小功率 LED 与大功率 LED 的发光效率是差不多的 ,但 L
13、UMILEDS 公司的研究表明,大功率白光 LED 比 5 白光 LED 的寿命更长。另外,采用很多小功率白光 LED组成的灯泡可靠性也差一些,灯泡体积也较大。例如,用 1W 白光 LED 做成灯具,其尺寸为 50.8mmx50.8mmx7.1mm,而采用 5 白光 LED 来做,其体积则要大得多。但目前大功率 LED 投产时间不长 ,价位较高 ,所以目前大部分 LED 灯泡仍是用小功率 LED 做的。 白光 LED 的诞生是个突破 白光 LED 是 LED 家族中最后一个问世的 ,它的诞生是 LED 生产中一个重要的突破,它将成为新的照明光源。 白光是复合光,可以用红、绿、蓝(R、G、B)三
14、基色 LED 混合成白光,1995 年前后生产的一种集成 LED 白光灯 (或称全色 LED 灯)由 2 个高亮度蓝光 LED、15 个绿光LED 及 5 个红光 LED 组成。这种白光 LED 灯尺寸大、白光纯度不高、发光效率也不高。但这种三基色灯用单片机来控制可发出七色光及白光的变色灯,可用于娱乐场所,增加节日气氛。另外,采用 RGB 三种管芯组成的 RGBLED 常用于手机的变色背光。 采用 R、G、B 三色 LED 可以组成彩色 LED 显示屏的像素,用它组成彩色 LED 显示屏。 在上世纪末,可能受荧光灯的启发,开发出在高亮度蓝光 LED 管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光
15、的白光 LED。采用不同的荧光粉,可发出冷白光(色温为450010000K)及暖白光(色温为 28503800K)的白光 LED。目前,白光 LED 的发光效率大都已超过 301m/W,某些产品已超过 501m/W 的水平。它给用于照明的 LED 灯泡创造良好的条件。 在 2005 年开发出无荧光粉的、5、透明树脂封装的白光 LED。该白光 LED 采用蓝宝石(Al 2O3)为衬底,采用 InGaN 工艺技术制成。在 IF 为 20mA 时,发光强度为7001200mcd。 白光 LED 照明灯泡 近年来,LED 的发光强度及发光效率迅速提高、发光颜色齐全、功率增加、成本降低,给开发各种功能的
16、 LED 灯泡及灯具创造了极好的条件,也给二次开发 LED 产品创造良好的机会。例如,现在的城市交通信号灯及标志灯采用 LED 替代了传统的白炽灯,不仅节省大量的电能,而且无须经常更换损坏的白炽灯: 五彩缤纷的各种 LED 装饰灯,给城市夜景打扮得五光十色,广场上的超大屏幕的彩色 LED 显示屏让全世界的球迷过足了瘾。以下几种白光 LED 灯的应用及 发展,包括彩色 LCD 的背光照明灯、闪光灯及家用LED 照明灯, 它们最大的特点是节电和寿命长。 1 彩色 LCD 的背光照明 由于白光 LED 作背光时电路比用 CCFL 简单且尺寸小,所以在手机、PDA 等小屏幕彩色 LCD 中都采用白光 LED 作背光照明。过去认为白光 LED 只适用于小
