LED（Light Emitting Diode）

1、技术原理

LED的亮度效率就如同摩尔定律一样，每24个月提升一倍。以前，白光LED的发光效率只有10~30lm/W，只能用来取代耗电量高的白炽灯、卤素灯。然而，当白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W时，使得荧光灯、高压气体放电灯等高性能灯也开始感受到了性能威胁。值得主要的是，2010年报道了白光LED的光效已经达到了208lm/W，目前只是在实验室阶段，相信LED在以后几年会在有所突破的。LED光效的提高与其技术原理有着很大的关系，所以必选对LED的技术原理有所了解。

1.1发光原理

LED（Light Emitting Diode）就是发光二极管，属于一种固态的半导体器件。它由两个半导体（P型和N型半导体）和中间一个有源层组成。当它两端加上正负电压时，电子开始移动并和空穴（带正电的离子）结合产生辐射光，即直接把电转化为光。其基本工作原理如图1所示。

图1 LED的工作原理

根据图1可见，LED的核心部分是PN结（在P区和N区的交界面形成空间电荷区称PN结），P区带过量的正电荷（通常称“空穴”，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴），N区带过量的负电荷（电子，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子）。当正向导通的电压加在这个半导体材料的PN结上时，电子就会从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动，在P区和N区的交界处电子和空穴发生复合，即电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，复合过程中能量就会以光的形式从LED中发射出来。电流从阳极流向阴极时，晶体就发出从紫外到红外不同顏色的光线，光的强弱与电流有关。而光的波长也就是光的颜色，这是由形成P-N结的材料决定的。

电子和空穴复合可分为二类：一是伴随光辐射的复合：还有一类是不伴随光辐射的复合。前者是由于空穴和电子的复合以光（含紫外光、红外光）的形式辐射能量，这是发光的主要机理，也是发光器件所追求的。而后者复合不伴随光的辐射，这对固体发光器件来说是有害的（因为以热的方式辐射可以使器件的温度升高）。所以对于固体发光器件来说，就是要研究如何增强带有光的辐射形式的复合。因此，研究LED芯片原理及应用的目的，就是当半导体PN结处流过正向电流时，能以较高的能量转换效率来辐射出200~550nm波长范围的可见光谱（包括紫外、红外），从而做成实用的发光器件。

1.2半导体能带理论

半导体的能带分为量子态被电子全填满的价带和量子态未被电子全填满的导带，两者之间的能隙称之为禁带，也称带隙，用Eg表示。半导体的光学跃迁发生在价带顶和导带低附近。辐射电磁波的频率由Eg=hv可求得。在半导体的能带结构中，价带顶的能量位置和导带低的能量位置同处于K空间同一点，即同处在一个布里渊区的中心点。此结构为直接能带半导体结构，价带顶的能量位置和导带低的能量位置不同的能带结构为间接能带半导体结构。电子和空穴的复合过程满足动量守恒定律和能量守恒定律。电子在直接能带结构中的直接跃迁发光不需要声子参加，而间接跃迁过程则需要声子的参与才能满足动量守恒定律，而且间接跃迁复合几率较直接跃迁复合几率小3～4个数量级，所以在制备半导体LED结构时应尽量选取直接能带半导体材料。如GaN和ZnO两种基材料都是直接能带半导体材料。

1.3发光颜色

根据不同的结构和材料，LED的发光颜色也不同。LED的发光颜色由组成的半导体材料决定，通常是采用两种有细微差异的材料构成n区和p区。n区和p区的交界处形成的pn结组成发光层。p区和n区必须有两个电极作为输入接触电极，同时不同颜色的LED都有衬底，衬底的材料也有不同。为了能使衬底与p区很好地结合，必须采用某种材料作为它们两层之间良好结合的缓冲层。这样就完整地组成了LED的基本结构（如图3）。

目前，照明领域使用的LED有两大类，一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP或AlInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金（InGaN），可以做成绿色、蓝色和白色的LED。

2、行业现状

2.1 LED的分类及性能参数

按极性分类可分为：N/P，P/N。

按发光部位分为表面发光型（光线大部分从芯片表面发出）和五面发光型（表面，侧面都有较多的光线射出）。

按LED的输出功率可分为小功率、功率和w级功率LED，具体划分标准如表3：

表3 按LED的输出功率进行分类

功率等级	芯片面积	输入功率	输入电流	输入电压	封装方式	光通量
小功率 LED	8 milx8 mil 14 milx14 mil	60 mW	20mA	1.9~2.1 V 3.0~3.6 V	3 mm 5 mm （为直径）	2~4 Im
功率LED	20 milx20 mil	几百个 mW	40~100mA	2~2.3V 3.0~3.6V	食人鱼封装	4~6 Im
W级功率LED	1mm×1mm	1W	200~350 mA	3.0~3.6V	铝基板为热沉	6~50 Im

目前，LED的发光效率一般可达到100~150lm/W以上，寿命（光源光通50%衰减的时间）达到100000h，亮度达到10万cd/m²以上，输入功率6.7W/lamp，显色指数80以上，光通调节范围为0~100%，色温调节范围2000-8000 K，工作温度（LED的工作温度在100℃时，其光通量下降20%）范围为-55~100 ℃，初始启动时间和热启动时间均为纳米级，每千流明采购成本小于5$/Klm，每瓦单灯采购成本小于1.3 $/W.lamp，应用范围渗透荧光灯领域，但是，一直存在眩光。

2.2行业发展分析

半导体灯作为典型的绿色照明光源，孕育出诱人的市场前景。LED应用市场的规模，2004年全球超过120亿美元；2010年全球将达到500亿美元，中国将达到600亿元人民币。据中国光学光电子协会统计，国内市场将保持30%以上的成长速度。

2.2.1显示领域

据专门对高亮度发光二极管和氮化镓的市场调研公司Strategies Unlimited的主管罗伯特.斯蒂尔表示，由于移动应用的需求巨增（手机，掌上电脑和数码相机）2004年全球高亮度发光二极管市场增长了37%增至37亿美元。斯蒂尔表示，高亮度发光二极管在移动领域的应用收入为21.5亿美元，占了58%的市场，比2003年增长了7个百分点。至于产品细分，斯蒂尔表示，白光发光二极管占需求的50%，而蓝/绿光发光二极管就占29%。以生产地区来分，45%的高亮度发光二极管来自台湾，韩国和中国的制造商，而25%是由美国生产。另外，白光发光二极管在手持应用的全色彩显示背光的渗透率已经达到75%。2010年2月以后，5000元以上价位的液晶显示器大部分采用LED显示屏，LED比普通LCD显示器更薄、更省电、寿命更长，拥有更广的色域、更高的对比度。LED由于光谱几乎全部集中于可见光频率，没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色光源。日前，三星电子宣布成功开发出厚度为3.9毫米的40英寸LED电视用超薄液晶面板。

我国LED显示屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的LED显示屏生产厂商。目前LED显示屏已经广泛应用到车站、银行、证券、医院。在LED需求量上，LED显示屏仅次于LED指示灯名列第二，占到LED整体销量的23.1%。由于用于显示屏的LED在亮度和寿命上的要求高于LED指示灯，平均价格在指示灯LED之上，这就导致显示屏用LED市场规模达到32.4亿元，超过指示灯位居榜首成为LED的主要应用市场。凭借着独特优势，LED全彩显示屏广泛应用于体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。

2.2.2照明领域

美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”。美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替代，每年仅节电就可达350亿美元。

国内科技部则将半导体照明产业纳入了国家重点发展的高新技术产业，并以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明中的应用。国家计划先从863计划和攻关计划中拿出8000万元作为引导经费，安排一些急需上马的项目。

2008年4月，国家科技部确定厦门、上海、大连和南昌为首批4个国家半导体照明产业基地，2009年4月又将深圳定为第5个国家半导体照明产业基地。按LED市场来划分，目前市场主要集中在珠江三角区域及长江三角区域等制造业发达地区，市场份额占到全国各类LED应用市场的95%以上。拿深圳来说，目前深圳有关LED的企业就有300多家，分布在上中下游的LED产业链上，LED的年产值近百亿元。2008年我国半导体照明总产值近700亿元。而且，各路资本积极介入投资LED产业，投资规模增长迅速，仅2009年上半年，全国各地纷纷上马的LED项目总投资预算已超过200亿元。

a) LED路灯

当前，照明约占世界总能耗的20%左右。有统计数据显示，仅LED路灯节能一项，每年就能为中国节省约一座三峡大坝所发的电力。中国LED路灯技术发展现状及问题分析各国积极推动落实节能减排项目，尤其中国的LED路灯因商机庞大而被受LED路灯厂家重视。路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。

大功率LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管。目前来说，LED的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯。LED现在的光效一般在100~120lm/W，而且随着技术的发展，LED的光效每年都在提高，而高压钠灯可以达到150lm/W。但是，高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低，只有2000~2500K，而LED的色温较高，可以达到3500~4500K以上。另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。还有，高压钠灯的显色指数差，只有23左右，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75~80，甚至在90以上。路面明亮，感觉舒适。所以从实际的发光效果来看，LED可以比高压钠灯高出很多。135W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。135W的LED，其输出光通量大约只有7020流明(经过二次光学设计，会有所损失)，到达路面时的流明数仍为6500流明，而路面的平均照度可以达到16Lux(12m高杆)。250W高压钠灯的输出光通量为20000流明。但到达路面的流明数就只有7000流明。路面的照度大约为30~40Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。所以135W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为28.2~37.6，二者相当。所以，135W的LED取代250W的高压钠灯，LED可以节能1.85倍，节能效率约为50%。

然而，LED路灯也存在一些缺点。例如，LED路灯是由很多部分组成的，其中发光最有效的元件是芯片，而价格最贵的部分也在芯片。但是，随着科技的进步，光效发展到一定水平时，芯片的使用数量将会减少，而且芯片的价格也会同时下降。届时，LED路灯整体价格也会下降。

b）汽车领域

LED作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和相应速度快的特点。有统计显示，在汽车以100公里的时速行驶下，装有LED刹车灯的车辆较没有装LED刹车灯的车辆刹车距离将减少7英尺。目前，LED已经逐步应用在汽车的第三刹车灯上。虽然LED目前还面临着单位瓦数流明低以及相关政策的限制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的下降以及发光效率的提升，最终LED将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED车灯市场面临着巨大的发展潜力。

c）室内照明

室内装饰灯市场是LED的另一新兴市场。通过电流的控制，LED可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代中，LED颜色多样化有助于LED装饰灯市场的发展。LED已经开始做成小型装饰灯，装饰幕墙应用在酒店、居室中。

d) 景观照明

LED画卷曾在北京奥运会开幕式上崭露头角，而今年的上海世博会为LED（半导体照明）提供了另一秀场。据上海世博会组织者介绍，在世博会15公顷城市最佳实践区、“一轴四馆”的景观照明全部采用LED，整个园区中的80%以上夜景照明采用LED，世博园区将成为全球最大的LED集中示范区