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1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第 1 章 绪论本章介绍了论文的研究背景、目的和意义，LED 的相关知识，并对国内外 LED 技术的发展和应用做了简要综述。1.1 选题的背景及意义随着全球经济的迅速发展，能源消耗以惊人的速度增长，伴随而来的则是大量的环境污染和生态破坏。在电能消耗中，照明用电占发电总量的比例：发达国家是 19%，我国是 10%。随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。开发和推广应用节能灯具，成为迫在眉睫的任务。LED 照明就是在这样的形势下发展起来的。传统光源白炽灯发热量大、耗电、发光效率较低、使用寿命短。荧光灯管显色性较差（光谱是断续
2、的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，需要在设计上采取措施消除频闪效应，另外灯管内存在着有毒的汞蒸汽，不环保1。LED 光源与常见光源效率典型数据对比如表 1-1 所示。表表 1.1 LED 光源与常见光源效率典型数据对比光源与常见光源效率典型数据对比灯具光源种类光源光效 （LM/W）灯具效率 （X%）灯具有效光效 （LM/W）LED 光源90-13090%1-117HPS 高压钠灯100-13055%55-72Halide 金卤灯8055%44CPL 型节能灯60-7060%36-42无极灯60（大功率 50）60%36（30）白炽灯15普通荧光灯60-8070%42-56哈尔滨工程大
3、学本科生毕业论文2该课题研究的照明光源采用的是白光二极管，白光 LED 具有如下特点：低电压驱动，最低可用 2V 电压驱动；体积小，一般直径 3-5mm，用于被光照明的体积更小；重量轻，显色性好，显色指数超过 90，超过荧光灯，接近白炽灯的显色性能，接近自然光；调光性能好、寿命超过 10Wh、耐振动、不易损坏、色温变化时不会产生视觉误差，生产过程无汞和铅的污染，将成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源。近几年来，LED 的发光效率已增长了 100 倍，而成本下降了 10 倍。在目前 LED 光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用 LED，其用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐
4、步取代传统的白炽灯。LED 已被全球公认为新一代的环保型高科技光源2。1.2 LED 照明的国内外研究现状我国 LED 的发展起步于 20 世纪 60 年代。1970 年 11 月在上海召开的全国砷化镓学术交流会议上，报告了用水汽外延法制成“磷砷化镓红色发光二极管”的研究成果，从此我国 LED 材料和器件研发正式起步。20 世纪 80年代形成 LED 产业，90 年代 LED 产业已经初具规模，90 年代后期得到迅猛发展，1997 年在国家自然科学基金的支持下，北京大学率先研制出国内第一只蓝光发光二极管。几年后南昌大学在国际上率先开发成功硅衬底蓝光LED 材料与芯片的生产技术，实现批量生产，成
5、为具有自主知识产权的第三种发光二极管外延材料与芯片的技术路线；到 2003 年上海、大连、南昌、厦门已成为国家四大半导体照明基地,中国的 LED 照明开始了快速的发展。2008 年 9 月，CREE 成功研制出冷白光 LED，效率达 107 lm/W。这项成果来自于 CREE 的 EZBright LED 芯片平台，得到了能源部的资金资助。是能源部光子晶体芯片项目的一部分，这个项目的目的是改善光的提取率和研发出新的封装技术，得到比传统 LED 更高的下转换（down-conversion）效率。该 LED 有一平方毫米，色温为 5500K，显色指数为 73，在单一模块封装中集成了 4 个 LE
6、D 芯片，能够产生大于 450 流明的光通量。哈尔滨工程大学本科生毕业论文3美国波士顿的 Photonics Research 研究中心报道了 LED 技术方面的新进展，声称光效达到 330lm/W。这种被称作 photon-rectcling 的半导体光源可发出蓝、黄两种波长的光。所发出的光能使人感到的是白光。这种光效，与目前市场上的 LED 比要高 10 倍甚至更高。不过，应该指出，从实验室到商业化的产品这条路也许还十分漫长13。奥地利的照明设计公司已完成一项大型实验，采用了 14000 只白光和彩色 LED 的混合照明整个房间。光照水平达到 600-700Lux，足够一间普通办公室的照明
7、。用计算机计算白光，蓝光，蓝/绿光，琥珀和红光二极管的混合效果，以获得 2500-3000K 的暖色温，其显色指数非常接近最好的荧光灯。由于 LED 产业不断涌现新技术、新产品、新应用，呈现出了朝阳工业的欣欣向荣的景象，可以相信，半导体技术不仅不会被其他技术取代，而且会继续沿着原来的轨道向前发展。半导体照明技术由于技术的先进性和产品使用的广泛性，已经被广泛认为是最具发展潜力的高科技领域之一。半导体照明产业具有明显的节能和环保效果，也被认为是一个战略性的高技术产业3.1.3 LED 相关知识1.3.1 LED 的结构及发光原理LED 是英文 Light Emitting Diode（发光二极管）
8、的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好14。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，p 型半导体里面空穴占主导地位，n 型半导体里面主要是电子，当两种半导体连接起来的时候，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 结加反哈尔滨工程大学本科生毕业论文4向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发
9、光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压） ，电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关12。一种 LED 结构图如图 1.2所示。图 1.2 LED 结构图41.3.2 LED 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。2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%。3. 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
10、 4. 稳定性：10 万小时，光衰为初始的 50%。5. 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。6. 对环境污染：无有害金属汞。7. 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，哈尔滨工程大学本科生毕业论文5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。8. 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 300500 只二极管构成4。1.3.3 单色光 LED 的种类及其发展历史最早应用半导体 P
11、-N 结发光原理制成的 LED 光源问世于 20 世纪 60 年代初。当时所用的材料是 GaAsP，发红光（p=650nm） ，在驱动电流为 20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约 0.1 流明/瓦。70年代中期，引入元素 In 和 N，使 LED 产生绿光（p=555nm） ，黄光（p=590nm）和橙光（p=610nm） ，光效也提高到 1 流明/瓦。到了 80 年代初，出现了 GaAlAs 的 LED 光源，使得红色 LED 的光效达到 10 流明/瓦。90 年代初，发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿、蓝光的 GaInN 两种新材料的开发成功，使 LED 的光效得到大
12、幅度的提高。在 2000 年，前者做成的LED 在红、橙区（p=615nm）的光效达到 100 流明/瓦，而后者制成的 LED在绿色区域（p=530nm）的光效可以达到 50 流明/瓦。1.3.4 LED 的应用1. 建筑物外观照明对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。但是，由于 LED 光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为 LED 投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。它的安装便捷，可以水准也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师带来了新的照明语汇，拓展了创作空间。并将对现代
13、建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。哈尔滨工程大学本科生毕业论文62. 景观照明由于 LED 不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的有机结合。可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。对于花卉或低矮的灌木，可以使用 LED 作为光源进行照明。LED 隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方便进行调节。3. 标识与指示性照明需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的 LED 自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的
14、指示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。另外，LED 与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作中弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。4. 室内空间展示照明就照明品质来说，由于 LED 光源没有热量、紫外与红外辐射，对展品或商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单，费用低廉，易于安装。其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。商业照明大都会使用彩色的 LED，室内装饰性的白光 LED 结合室内装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用 LED，对于低矮的空间特别有利。5. 娱乐场所及舞台照明由于 LED 的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的
15、饱和色可以创造静态和动态的照明效果。从白光到全光谱中的任意颜色，LED 的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值（10，000小时后仍然维持 90的光通） ，与 PAR 灯和金卤灯的 50250 小时的寿命相比，降低了维护费用和更换光源的频率。另外，LED 克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。与 PAR 灯相比，没有热辐射，可以使空间变哈尔滨工程大学本科生毕业论文7得更加舒适。目前 LED 彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。6. 视频屏幕全彩色 LED 显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高
16、亮度。根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。世界上目前最有影响的 LED 显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了 18,677,760 只 LED，面积为10,736 平方英尺。屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建筑立面镶上了长 100的超大型 LED 屏，总计面积达到 3600 平方米。堪称世界第一。7. 车辆指示灯照明汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快（纳秒级） ，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。1.3.5 白光 LED 的开发对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998 年发白光的 LED 开发成功。这种 LED 是将 GaN 芯片和钇铝石榴石（
