总述LED技能及使用

LED元件在2005年的全球商场规模约为57.4亿美元，其间50%在日本，20%在台湾。除了各种运用照明、野外修建及手机背光源等运用外，业界正在活跃找寻各种新运用。本文介绍了LED的根本原理、技能趋势，以及商场动态。

LED工业趋势

发光二极管(LED是运用光辐射原理来发光的，其发光色彩与制造资料有很亲近的联系。LED技能的开发，从前期的红光、绿光，一直到开发成功蓝光LED，才经过整合红、蓝、绿，或把蓝光荧光粉与黄色荧光粉混合，成为白光LED。成功开宣布白光LED的最大长处，是可以运用於多波长，让运用范畴变得广泛而深远。

1、LED工业的开展

早在1907年开端，人们就发现某些半导体资料制成的二极管在正导游通时有发光的物理现象，但出产出有必定发光功率的红光LED已是1969年了。1994-1995年人们开发成功了蓝光LED，并在1998年完成了真实商品化。2000-2002年间，研制人员不断寻求本钱效益，使LED成功打入手机背光源商场。到今日，LED已出产了30多年，各种类型的LED、运用LED作二次

开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)开展敏捷，新产品不断上市，并已开展成为一种新式工业。LED技能研制之路，最为人津津有味的故事，便是开发蓝光LED时，碳化矽(SiC)与氮化镓(GaN)两大门派之争。这也是许多研制团队勤劳投入开发蓝光LED元件时，有必要苦楚挑选的两条天壤之别的路途。之前，全球许多大公司皆投入SiC研制，成果日本一家专门做荧光粉事务的公司——日本日亚化工公司(Nichia Chemical Industries Ltd.)的研制人员中村修二先生(Shuj Nakamura)於1994年和1995年，在氮化镓(GaN)研讨方面取得重大打破，并取得震动全球的专利。这位研制人员的重大打破，引发了包含Sony及Toshiba等大厂的最高主管都出头为自己所做的过错决议计划导致技能落後而抱歉。这位Nakamura的技能打破，让氮化镓(GaN)阵营正式快速逾越SiC。

本来做荧光粉事务的Nichia由於在蓝光LED技能上的成功，使其年营业额从约1亿美元快速开展到2003年的9亿美元。而本来该公司预备发给Nakamura的专利奖励金是日币200万元，经过一场官司後，Nichia被断定应该给这位研讨人员日币2亿元。

欧斯朗公司LED封装趋势

继蓝光LED技能打破後，白光LED正式启动了广泛的LED运用风潮，从显现、指示及手机光源，到正在酝酿中的LCD-TV背光源，各种新时机的大门不断被构思敲开。

2、LED技能

LED是继1950年代矽(Si)半导体技能後，由三五族(III-V族)化合物半导体开展的半导体器材。LED的发光原理是运用半导体中的电子和空穴结合而宣布光子，不同於灯泡需求在3000度以上的高温下操作，也不用像日光灯需运用高电压激起电子束，LED和一般的电子元件相同，只需求2-4V的电压，在常温下就可以正常动作，因而其寿数也比传统光源来得更长。

LED所宣布的色彩，首要是取决於电子与空穴结合所释放出来的能量凹凸，也便是由所用的半导体资料的能隙所决议。同一种资料的波长都很挨近，因而每一颗LED的光色都很纯粹，与传统光源都混有多种色彩比较，LED可说是一种数字化的光源。

LED晶片巨细可以因用处而随意切开，常用的巨细为0.3-1.0mm左右，跟传统的灯泡或日光灯比较，体积相对小得多。为了运用方便，LED一般都运用树脂包装，做成5mm左右的各种形状，十分巩固耐震。

LED的根本结构

LED的制造进程与制造矽晶圆%&&&&&%很相似，首要运用化学周期表中超高纯度的III族元素——铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)，以及V族元素——氮(N)、磷(P)、砷(As)为资料，在高温下反响成为化合物，经过单晶生长技能，制成单晶棒，经过切开、研磨、抛光成为晶片，再将其作为基板(substrate)，运用磊晶技能将发光资料生长在基板上，制成的磊晶片经过半导体镀金和蚀刻工艺後，经过细切加工成LED晶粒。

值得注意的是，除了咱们常见的可见光外，LED还有不可见光，如“紫外光”与“红外光”等，例如电视遥控器便是一种红外光运用，其波长约为900nm，而紫外光则因为具有灭菌功用，所以被广泛运用在医疗用处上。

LED首要向大功率和小体积两个方向开展

(1)前进发光强度及发光功率

作为指示灯方面的运用，有几个mcd的发光强度也可以了，但由LED组成的数码管或字元管则显得亮度缺乏，若要用於野外作信号或标显现，则其亮度太低，不能满意运用的要求。所以LED的首要开展方向是前进发光强度(也便是一般所指的前进亮度)。

InGaAlP和nGaN LED晶片发光功率的演化。其间，a为InGaN蓝光LED，b为InGaN绿光LED

随著半导体资料及半导体工艺技能、设备的开展，LED的亮度不断前进，开宣布高亮度及超高亮度LED，并且不断创造新记载。以Φ5规范封装、发红光、视角不同不大的LED为例，不同出产年份LED的发光强度如表1所示。

表1 不同出产年份LED的发光强度比较

从表1可以看出，近30年LED的发光强度前进了8000倍左右。1969-1987年LED的发光强度是很低的，开展很慢，但1994-2005年LED的亮度有很大的开展。表1列出的并非发光强度最高的。例如，在GaAs的衬底上选用AlInGaP工艺技能制成的Φ5、红光LED，在小视角4°、50mA作业电流时，其典型发光强度为20000mcd。

以GaAs为衬底的LED结构

LED另一个重要功用指标是发光功率η，用lm/W来表达。各年份出产的LED发光功率如表2所示。从表2可以看出，这30多年来，LED的发光功率前进了250倍以上。1970-1990年LED发光功率前进较慢，1990-2005年则前进较快。例如，Cree公司出产的1W白光LED XL7090WHT，其发光功率可达60lm/W。

表2不同出产年份LED的发光功率比较

XL7090WHT是超高亮度、小尺度封装的白光LED。XL7090WHT的发光强度大，电流350mA时的典型光通量为60lm，在瞬态脉冲电流700mA时典型光通量可达98lm，而现在一般1W白光LED的光通量为30-45lm)；XL7090WHT的发光功率高达60lm/W，视角宽达100°；封装尺度仅为9×74.3mm；作业温度规模是-20-+80℃。

因为XL7090WHT发光强度大、发光功率高，因而它适用於家庭、商业或公共场所明、DVD、笔记本电脑、电视机的五颜六色显现屏的背光；广告灯、路灯及标灯；轿车及运输工具的表里照明及数码相机的闪光灯等。

从表1和表2也可以看出，LED的发光强度及发光功率的前进首要取决於选用的半导体资料及其工艺技能的开展。前期的LED首要用GaAs、GaP(二元素半导体资料)和GaAsP(三元素半导体资料)，1994年左右选用AlInGaP(四元素半导体资料)後，其发光强度及发光功率有很大的前进。别的，在工艺技能上选用在GaAs衬底上用AlInGaP资料出产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN资料出产的绿光、蓝光LED，在发光强度及发光功率上有较大的改善。

(2)前进LED功率

咱们知道，LED的发光强度与正向电流IF简直成线性联系，即添加正向电流IF可添加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的约束，PD=VF×IF(VF为正向压降)，若过大地添加IF而使PD超越最大值时，LED会过热而损坏。为了要前进发光强度，开宣布中功率LED(一般为几百mW)，其作业电流也前进到70mA。近年来，为进一步前进发光强度，开宣布大功率LED，其功率一般为1-10W(有一些还大於10W)。它的作业电流一般为350-700mA，有些可达1A以上。

以American Opto Plus LED公司出产的5W的PU-5WXX系列为例，在700mA电流下，其结温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标明)。

表3 PU-5WXX系列LED的典型发光强度

从表3可以看出，除蓝光LED的发光强度及发光功率较低外，其他发光色彩的发光强度及发光功率都适当高。

前期出产的LED是小功率的(几十至上百mW)，现在已能出产大於10W的大功率LED，在功率上添加了100倍以上。

虽然说小功率LED与大功率LED的发光功率是差不多的，但LUMILEDS公司的研讨标明，大功率白光LED比Φ5白光LED的寿数更长。别的，选用许多小功率白光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，其尺度为50.8×50.8×7.1mm，而选用Φ5白光LED来做，其体积则要大得多。但现在大功率LED投产时刻不长，价位较高，所以现在大部分LED灯泡仍是用小功率LED做的。

3、白光LED年代的降临

白光LED是LED宗族中最後一个面世的，它的诞生是LED出产中一个重要的打破，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)三基色LED混组成白光。1995年前後出产的一种集成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灯尺度大、白光纯度不高、发光功率也不高。但这种三基色灯用单片机来操控可宣布七色光及白光的变色灯，可用於娱乐场所，添加节日气氛。别的，选用RGB三种管芯组成的RGB LED常用於手机的变色背光。

在上世纪末，或许受荧光灯的启示，人们在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉，用蓝光激起荧光粉宣布白光的白光LED。选用不同的荧光粉，可宣布冷白光(色温为4500-10000K)及暖白光(色温为2850-3800K)的白光LED。现在，白光LED的发光功率大都已超越30lm/W，某些产品已超越50lm/W的水准，它给用於照明的LED灯泡创造杰出的条件。

在2005年，业界开发成功了无荧光粉、Φ5通明树脂封装的白光LED。该白光LED选用蓝宝石(Al2O3)为衬底，选用InGaN工艺技能制成。在IF为20mA时，发光强度为700-1200mcd，为LED的遍及运用奠定了根底。

(1)TFT-LCD背光照明

现在，CCFL是大尺度LCD产品中运用最广泛的背光技能。虽然从技能上来说CCFL现已适当老练，不管是功用仍是稳定性都久经考验。但在NB产品、大尺度LCD-TV产品日益着重轻浮矮小、更高的色彩体现和更强的环保特性趋势下，逐渐显现出强壮的运用远景。LED背光技能的优势首要体现在∶

A、运用寿数长

在发光寿数方面，LED背光技能将CCFL远远抛在後面。一般的CCFL背光源一般的运用寿数在3万小时左右，一些尖端的CCFL背光的发光寿数也不过在6万小时左右。这样的寿数对於频频运用的用户来说意味著运用2-3年後LCD的亮度就将会显着下降，许多LCD产品在运用几年後萤幕就会发黄、亮度显着变暗，而不得不替换LCD的CCFL背光模组。而LED

背光则彻底没有这样的问题，现阶段白色LED背光的寿数现已高达10万小时。每天接连运用10个小时，可以接连用上27年，即便24小时不间断运用，这样的寿数也满意运用5年！并且还有再次前进的潜力。

B、丰厚的色彩体现力

在色彩体现力方面，LED背光也远胜於CCFL。原有的CCFL背光由於色纯度等问题，在色阶方面体现欠安。这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。更重要的是，冷阴极荧光灯色域较为狭隘，会严峻影响在LCD显现器上显现的色谱，导致简直一切的LCD显现器都无法到达平面印刷的Adobe RGB色域规范。据测验，选用CCFL背光只能完成NTSC色彩区域的78%，近期少量面板厂商选用CCFL技能最高可以到达92%NTSC，後续前进空间不大，而LED背光却能轻松地取得超越100%的NTSC色域体现。在色彩体现力和色阶过渡方面，LED背光也有明显的优势，其色彩体现力强於CCFL背光源，色彩复原好，可对显现色彩数量缺乏的液晶技能起到很好的补偿效果。

LED与CCFL背光之效能比较

C、体积缩小

LED作为LCD背光会带来哪些长处呢？首要，选用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由很多栅格状的半导体组成，每个“格子”中都具有一个LED半导体，这样LED背光就成功完成了光源的平面化。平面化的光源不只需优异的亮度均匀性，还不需求杂乱的光路规划，这样一来LCD的厚度就能做得更薄，一起还具有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显现面板意味著笔记本电脑具有更佳的移动性。例如，2005年10月SONY就推出了11.1英寸，运用白光LED的VAIO笔记型计算机TX系列，选用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显现屏，使NB分量下降到1.26公斤，且萤幕厚度也降到仅4.5mm，全体NB厚度更下降16%到21mm，亮度也添加30%，且由於运用白光LED也使电池续航力大幅前进。

关于背光模块厂来说，LED背光模块在结构上，首要的差异点在於LGP的改动。运用CCFL时，由於受限於CCFL管径1.8mm，LGP入光侧有必要保持2.0mm左右，而成为一个楔形的板(斜式导光板，即导光板两头厚度纷歧)，这使得NB面板没有办法做得很薄。运用LED作背光源时，本来LGP之厚度约束已不存在，可以让整个LGP厚度均匀且变薄，再加上玻璃的厚度约可从0.5mm降为0.3mm，因而可以满意NB对於轻浮矮小的寻求。

开发NB用LED背光源，面对的最大瓶颈，仍在於怎么让导光板的厚度变薄。一般导光板厚度多在2mm以上，而Sony以0.6mm厚度的导光板运用为主，因而背光厂商正活跃开发更薄的导光板。

D、亮度和白平衡操控

完成LED功率操控很简略，不像CCFL的最低亮度存在一个门槛。因而，LED的亮度调整规模大，不管在亮堂的野外仍是全黑的室内，用户都很简略把显现设备的亮度调整到最顺眼的状况；LED背光可以调整白平衡，一起确保全体对比度。当用户的视频源在计算机和DVD机间切换时，可以轻松在9600K和6500K间调整白平衡，并且不会献身亮度和对比度。

E、均匀性

冷阴极荧光灯属於管状光源，要将所宣布的光均匀分布到面板的每一个区域就需求适当杂乱的辅佐组件，萤幕的厚度也难以操控。并且随著面板的增大，有必要运用多条光源，这就要求来自这些CCFL的光还有必要匹配。一起，CCFL背光源的能量运用功率低下。在光能从背光到萤幕的传输进程中，光能量损耗状况十分严峻，终究大约有6%的光能可被真实运用。为了完成更高的亮度和对比度，厂商有必要前进光源的输出功率或添加灯管数目，而这样带来的後果便是整机功耗上扬。这对於桌面型LCD显现器或液晶电视不会有多大的影响，但对笔记本LCD萤幕影响很大。LED可以为大尺度萤幕供给接连面阵光源。LED是一种平面状光源，最根本的发光单元是3-5mm边长的正方形封装後，所需的辅佐光学组件可以做得十分简略，极简略组合在一起成为既定面积的面光源，具有很好的亮度均匀性。

别的，LED运用的是5-24V的低压电源，十分安全，供电模块的规划也较为简略；LED光源没有任何射线发生，也没有水银之类的有毒物质，可谓是绿色环保光源；平面状结构让LED具有安定的内部结构，抗震功用很超卓。

LED背光技能就象许多新式技能相同具有许多诱人的长处，但LED要想占有大尺度LCD背光源的干流，现在还需求处理一些技能难点，如功耗、本钱、共同性等。

A、发光功率

CCFL仍是发光功率最高的干流光源技能，与之比较，LED的发光功率较低。作为背光源的LED器材以白光类型居多，而白光LED器材在开端时发光功率不高，致使萤幕亮度遍及偏低。比方在当时的LED技能中，不管萤幕的制造商是谁，LED组件的亮度都各不相同。现在CCFL冷阴极荧光灯的发光功率可到达50-100lm/W，而白光LED器材在刚起步时发光功率仅为20lm/W乃至更低。不过，现在全球有很多的企业从事相关研讨，该范畴的技能发展十分敏捷，白光LED的发光功率以每年前进60%的起伏前进，到现在为止，白光LED器材的发光功率打破50lm/W，开端到达实用化水准。而业界期望在2007年之前，将白光LED的发光功率前进到75lm/W的高水准。

B、共同性

用LED作为背光源存在白光的共同性问题，这比起CCFL是个下风。RGB LED背光源时刻一久会发生色移波长会随温度改变，发生不同色彩。这一问题导致了色彩偏移、纷歧致的色纯度和质量低质的真“白色”，这就注定LED在开端时并不合适作为LCD显现器的背光源。为了消除这一问题，LED制造商们将晶片“分区”或分解成具有近似色彩和亮度的区块。这种处理有必定的协助，但仍有缺乏、亮度和色彩中依然存在偏移。厂商最新又研制了五颜六色校对电路，经过对逐一图元的操控，可以将色彩和亮度上的误差操控在合理的规模内。

照明商场用高亮度发光LED商场规模

C、本钱高

本钱太高、价格昂贵，平等尺度的背光源，LED是CCFL价格的4倍。对於现在价格竞争剧烈的商场而言，让厂家有些望而生畏。只需索尼为了图画质量不计本钱。当然，随著工艺的老练和出产规模的添加，LED背光的本钱会逐渐下降。

虽然LED长处多多，但短时刻内还难以遍及，比方LED背光源体系的本钱要高於冷阴极荧光管。现在LED背光模组零组件的价格为CCFL的5倍左右，萤幕尺度越大，选用LED背光技能的本钱就越高。东芝U100之所以选用这种显现技能，彻底在於它仅仅东芝笔记本20周年纪念品才被运用。

值得欣喜的是，LED工业也存在相似微处理器工业中的“摩尔规律”——Haitz规律，以安捷伦（LED范畴领导厂商）的上一任技能科学家Roland Haitz命名。其内容是LED的价格每10年将为本来的1/10，功用则前进20倍。假如这个规律可以不断应验，而随著产能的添加，LED背光源的本钱将快速下滑。估计到未来一两年LED背光的价格可降到CCFL背光的2倍左右，间隔大规模遍及仅有一步之遥。

(2)家用LED照明

现在家用照明灯首要是白炽灯、荧光灯(日光灯)及节能荧光灯。发光二极管与其他光源特性比较见表5。白光LED灯泡与荧光灯、节能荧光灯、白炽灯泡在发光功率及平均寿数上的比较如表6所示。

表5 发光二极管与其他光源特性比较

人类照明技能的演化

从表6可知，白光LED灯泡的发光功率高於白炽灯泡，但低於荧光灯及节能荧光灯。白光LED的平均寿数最长的，比节能荧光灯高8倍，比白炽灯高33倍多。

家用照明灯发光功率和平均寿数的比较

现在国内已能出产1-3W由Φ5白光LED组成的白光LED灯泡(外形与白炽灯泡相同，球形外壳用通明塑胶做成，直径约60mm，灯头用E27螺纹灯头)，其发光功率η超越35lm/W。2-3W的白光LED灯泡亮度与25W白炽灯泡差不多。别的，现在也可以出产出12W白光LED的日光灯管，其光通量超越500lm，发光功率超越40lm/W。这两种白光LED做成的灯寿数都超越50000h。这两种灯都是用超高亮度Φ5小功率白光LED做成，现在价格较高，且没有上市。

白光LED做成的照明灯节能、长寿数。在运用中的节电及经济性方面，3W的白光LED灯泡、5W的节能荧光灯和25W白炽灯泡的成果比较见表7。可见，从节电方面比较，相同运用了50000h，白炽灯要用1250度电，而3W的白光LED灯只需250度电，相差1000度电。假如全国有1亿苹3W白光LED灯代替了25W白炽灯泡，则在50000h的运用时刻中可节约1000亿度电。别的，从经济方面来比较，用1个3W白光LED灯点了50000h，总的花费是209元，若用25W白炽灯泡需花费688.4元，相差479.4元。

当然，因为白炽灯自创造以来已有150年前史，白光LED灯泡出产才几年。现在在商场上只需白光LED手电筒、白光LED矿灯等少量产品，家用白光LED灯泡现在还没有上市，并且现在只能出产小功率的灯泡，在亮度方面还不如节能荧光灯亮，且价位还较高，一般家庭还难以承受。不过，若考虑运用寿数、省电功率及环保节能等要素，LED照明设备仍是有其运用价值的。

LED轿车尾灯

跟着半导体资料及工艺技能的前进，出产量的添加，LED照明灯的功用会进一步地前进，价格也会不断地下降，并或许在3-5年後逐渐地进入千家万户，成为咱们节电、亮堂的新挑选。

(3)闪光灯

数码相机正逐渐代替用胶卷的相机，在数码相机中选用超高亮度的白光LED代替了传统的氙灯。选用超高亮度的白光LED作闪光灯不只电路简略、尺度小、耗电省，并且无须充电时刻。例如，前面说到的1W白光LED XL7090WHT，它在用作闪光灯时，700mA的脉冲电流时其典型光通量为98lm。

LED手电筒

5、结束语

LED元件在2005年的全球商场规模约为55亿美元，其间50%在日本，20%在台湾。现在LED很多运用在指示功用，而该范畴也是LED最早进入的商场，如野外显现板、交通号灯及平面照明等。随著高阶手机选用LED当背光源後，LED又打开了新的运用范畴。未来，LED最被看好的运用是在7-40寸的平面显现器商场，一旦LED可以成功成为平面显现器的背光源，其商场产量将会大幅生长。