本科生畢業(yè)論文1第1章緒論本章介紹了論文的研究背景、目的和意義，LED的相關(guān)知識，并對國內(nèi)外LED技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做了簡要綜述。1.1選題的背景及意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源消耗以驚人的速度增長，伴隨而來的則是大量的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。在電能消耗中，照明用電占發(fā)電總量的比例：發(fā)達(dá)國家是19%，我國是10%。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高，綠色節(jié)能照明的研究應(yīng)用越來越受到重視。開發(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能燈具，成為迫在眉睫的任務(wù)。LED照明就是在這樣的形勢下發(fā)展起來的。傳統(tǒng)光源白熾燈發(fā)熱量大、耗電、發(fā)光效率較低、使用壽命短。熒光燈管顯色性較差（光譜是斷續(xù)的）特別是它的頻閃效應(yīng)，容易使人眼產(chǎn)生錯覺，需要在設(shè)計上采取措施消除頻閃效應(yīng)，另外燈管內(nèi)存在著有毒的汞蒸汽，不環(huán)保1。LED光源與常見光源效率典型數(shù)據(jù)對比如表1-1所示。表1.1LED光源與常見光源效率典型數(shù)據(jù)對比燈具光源種類光源光效（LM/W）燈具效率（X%）燈具有效光效（LM/W）LED光源90-13090%1-117HPS高壓鈉燈100-13055%55-72Halide金鹵燈8055%44CPL型節(jié)能燈60-7060%36-42無極燈60（大功率50）60%36（30）白熾燈15普通熒光燈60-8070%42-56本科生畢業(yè)論文2該課題研究的照明光源采用的是白光二極管，白光LED具有如下特點：低電壓驅(qū)動，最低可用2V電壓驅(qū)動；體積小，一般直徑3-5mm，用于被光照明的體積更小；重量輕，顯色性好，顯色指數(shù)超過90，超過熒光燈，接近白熾燈的顯色性能，接近自然光；調(diào)光性能好、壽命超過10Wh、耐振動、不易損壞、色溫變化時不會產(chǎn)生視覺誤差，生產(chǎn)過程無汞和鉛的污染，將成為替代白熾燈和熒光燈的高效節(jié)能光源。近幾年來，LED的發(fā)光效率已增長了100倍，而成本下降了10倍。在目前LED光源及市場開發(fā)中，極具發(fā)展與應(yīng)用前景的是照明用LED，其用作固體照明器件的經(jīng)濟(jì)性顯著，且有利于環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈。LED已被全球公認(rèn)為新一代的環(huán)保型高科技光源2。1.2LED照明的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國LED的發(fā)展起步于20世紀(jì)60年代。1970年11月在上海召開的全國砷化鎵學(xué)術(shù)交流會議上，報告了用水汽外延法制成“磷砷化鎵紅色發(fā)光二極管”的研究成果，從此我國LED材料和器件研發(fā)正式起步。20世紀(jì)80年代形成LED產(chǎn)業(yè)，90年代LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，90年代后期得到迅猛發(fā)展，1997年在國家自然科學(xué)基金的支持下，北京大學(xué)率先研制出國內(nèi)第一只藍(lán)光發(fā)光二極管。幾年后南昌大學(xué)在國際上率先開發(fā)成功硅襯底藍(lán)光LED材料與芯片的生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三種發(fā)光二極管外延材料與芯片的技術(shù)路線；到2003年上海、大連、南昌、廈門已成為國家四大半導(dǎo)體照明基地,中國的LED照明開始了快速的發(fā)展。2008年9月，CREE成功研制出冷白光LED，效率達(dá)107lm/W。這項成果來自于CREE的EZBrightLED芯片平臺，得到了能源部的資金資助。是能源部光子晶體芯片項目的一部分，這個項目的目的是改善光的提取率和研發(fā)出新的封裝技術(shù)，得到比傳統(tǒng)LED更高的下轉(zhuǎn)換（down-conversion）效率。該LED有一平方毫米，色溫為5500K，顯色指數(shù)為73，在單一模塊封裝中集成了4個LED芯片，能夠產(chǎn)生大于450流明的光通量。本科生畢業(yè)論文3美國波士頓的PhotonicsResearch研究中心報道了LED技術(shù)方面的新進(jìn)展，聲稱光效達(dá)到330lm/W。這種被稱作photon-rectcling的半導(dǎo)體光源可發(fā)出藍(lán)、黃兩種波長的光。所發(fā)出的光能使人感到的是白光。這種光效，與目前市場上的LED比要高10倍甚至更高。不過，應(yīng)該指出，從實驗室到商業(yè)化的產(chǎn)品這條路也許還十分漫長13。奧地利的照明設(shè)計公司已完成一項大型實驗，采用了14000只白光和彩色LED的混合照明整個房間。光照水平達(dá)到600-700Lux，足夠一間普通辦公室的照明。用計算機(jī)計算白光，藍(lán)光，藍(lán)/綠光，琥珀和紅光二極管的混合效果，以獲得2500-3000K的暖色溫，其顯色指數(shù)非常接近最好的熒光燈。由于LED產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用，呈現(xiàn)出了朝陽工業(yè)的欣欣向榮的景象，可以相信，半導(dǎo)體技術(shù)不僅不會被其他技術(shù)取代，而且會繼續(xù)沿著原來的軌道向前發(fā)展。半導(dǎo)體照明技術(shù)由于技術(shù)的先進(jìn)性和產(chǎn)品使用的廣泛性，已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ母呖萍碱I(lǐng)域之一。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效果，也被認(rèn)為是一個戰(zhàn)略性的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)3.1.3LED相關(guān)知識1.3.1LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理LED是英文LightEmittingDiode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好14。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，p型半導(dǎo)體里面空穴占主導(dǎo)地位，n型半導(dǎo)體里面主要是電子，當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加本科生畢業(yè)論文4上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)12。一種LED結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示。圖1.2LED結(jié)構(gòu)圖41.3.2LED光源的特點1.電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。2.效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。3.適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境4.穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%。5.響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間為納秒級。6.對環(huán)境污染：無