【正文】 為具有發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品。 LED產(chǎn)品的開發(fā)研制生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。目前，隨著 LED 技術(shù)的廣泛應(yīng)用及潛在的市場(chǎng)， LED顯示出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α? 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣 電子工程 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 第一章 緒 論 LED的結(jié)構(gòu)以及發(fā)光原理 LED（ Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED 的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上 ，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是 P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是 N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè) PN結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向 P區(qū)，在 P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成 PN結(jié)的材料決定的。 最初 LED用作儀器儀表的指示光源，后來(lái)各種光色的 LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到 了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以 12 英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國(guó)本來(lái)是采用長(zhǎng)壽命，低光效的 140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生 2021流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失 90%，只剩下 200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中， Lumileds公司采用了 18個(gè)紅色 LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電 14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。 汽車信號(hào)燈也是 LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。 對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。 1998 年發(fā)白光的 LED 開發(fā)成功。這種 LED 是將 GaN芯片和釔鋁石榴石（ YAG）封裝在一起做成 。 GaN 芯片發(fā)藍(lán)光（ λp=465nm ， Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含 Ce3+的 YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值 550nm。藍(lán)光 LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有 YAG的樹脂薄層，約 200500nm。 LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對(duì)于 InGaN/YAG白色 LED，通過改變 YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫 350010000K的各色白光。這種通過藍(lán)光 LED得到白光的方法，構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉、技術(shù)成 熟度高，因此運(yùn)用最多。 上個(gè)世紀(jì) 60 年代，科技工作者利用半導(dǎo)體ＰＮ結(jié)發(fā)光的原理，研制成了 LED 發(fā)光二極管。當(dāng)時(shí)研制的ＬＥＤ，所用的材料是ＧａＡＳＰ，其發(fā)光顏色為紅色。經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，現(xiàn)在大家十分熟悉的ＬＥＤ，已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種色光。然而照明需用的白色光 LED僅在近年才發(fā)展起來(lái)，這里向讀者介紹有關(guān)照明用白光 LED。 LED用途介紹 １．可見光的光譜和 LED白光的關(guān)系 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣 電子工程 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 眾所周之，可見光光譜的波長(zhǎng)范圍為 380nm～ 760nm，是人眼可感受到的七色光 —— 紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，但這七 種顏色的光都各自是一種單色光。例如 LED發(fā)的紅光的峰值波長(zhǎng)為 565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因?yàn)榘坠獠皇菃紊?，而是由多種單色光合成的復(fù)合光，正如太陽(yáng)光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機(jī)中的白色光也是由三基色紅、綠、藍(lán)合成。由此可見，要使 LED發(fā)出白光，它的光譜特性應(yīng)包括整個(gè)可見的光譜范圍。但要制造這種性能的 LED，在目前的工藝條件下是不可能的。根據(jù)人們對(duì)可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長(zhǎng)發(fā)光（藍(lán)色光＋黃色光）或三波長(zhǎng)發(fā)光（藍(lán)色光＋綠色光＋紅色光）的模式。上述兩 種模式的白光，都需要藍(lán)色光，所以攝取藍(lán)色光已成為制造白光的關(guān)鍵技術(shù)，即當(dāng)前各大 LED制造公司追逐的 “ 藍(lán)光技術(shù) ” 。目前國(guó)際上掌握 “ 藍(lán)光技術(shù) ” 的廠商僅有少數(shù)幾家，所以白光 LED的推廣應(yīng)用，尤其是高亮度白光ＬＥＤ在我國(guó)的推廣還有一個(gè)過程。 2．白光 LED的工藝結(jié)構(gòu)和白色光源 對(duì)于一般照明，在工藝結(jié)構(gòu)上，白光 LED通常采用兩種方法形成，第一種是利用 “ 藍(lán)光技術(shù) ” 與熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能 成功產(chǎn)生白光器件。第一種方法產(chǎn)生白光的系統(tǒng)如圖１所示，圖中 LED ＧａＭ芯片發(fā)藍(lán)光（ λ ｐ =465nm），它和 YAG（釔鋁石榴石）熒光粉封裝在一起，當(dāng)熒光粉受藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光，結(jié)果，藍(lán)光和黃光混合形成白光（構(gòu)成ＬＥＤ的結(jié)構(gòu)如圖２所示）。第二種方法采用不同色光的芯片封裝在一起，通過各色光混合而產(chǎn)生白光。 3．白光 LED照明新光源的應(yīng)用前景 為了說明白光 LED的特點(diǎn)，先看看目前所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為 12～24流明／瓦；熒光燈和 HID燈的光效為 50～ 120流明／瓦。對(duì)白光 LED：在 1998年，白光 LED的光效只有 5流明／瓦，到了 1999年已達(dá)到 15流明／瓦，這一指標(biāo)與一般 家用白熾燈相近，而在 2021年時(shí)，白光 LED的光效已達(dá) 25流明／瓦，這一指標(biāo)與鹵鎢燈相近。有公司預(yù)測(cè)，到 2021年， LED的光效可達(dá)50流明／瓦，到 2021年時(shí)， LED的光效可望達(dá)到 150～ 200流明／瓦。那時(shí)的白光 LED的工作電流便可達(dá)安培級(jí)。由此可見開發(fā)白光 LED作家用照明光源，將成可能的現(xiàn)實(shí)。 普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價(jià)格便宜，但光效低（燈的熱效應(yīng)白白耗電），壽命短，維護(hù)工作量大，但若用白光 LED作照明，不僅光效高，而且壽命長(zhǎng)（連續(xù)工作時(shí)間 1000小時(shí)以上），幾乎無(wú)需維護(hù)。目前， HELLA公司 利用白光 LED開發(fā)了飛機(jī)閱讀燈；澳大利亞首都的一條街道已用了白光 LED作照明；我國(guó)的城市交通管理燈也正用白光ＬＥＤ取代早期的交通秩序指示燈?？梢灶A(yù)見不久的將來(lái)，白光ＬＥＤ定會(huì)進(jìn)入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。 LED 光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時(shí)間短、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)，雖然價(jià)格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認(rèn)為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣 電子工程 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 白光 LED燈的 特點(diǎn) 白光 LED燈的優(yōu)點(diǎn) LED的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。 （ 1） 體積小 LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。 （ 2） 耗電量低 LED耗電非常低，一般來(lái)說 LED的工作電壓是 。工作電流是 。這就是說：它消耗的電不超過 。 （ 3） 使用壽命長(zhǎng) 在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合拢?LED的使用壽命可達(dá) 10萬(wàn)小時(shí) （ 4） 高亮度、低熱量 （ 5） 環(huán)保 LED是由無(wú)毒的材料 做 成，不像熒光燈含水銀會(huì)造成污染，同時(shí) LED也可以回收再利用。 （ 6） 堅(jiān)固耐用 LED 是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面， 它比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固。燈體內(nèi)也沒有松動(dòng)的部分，這些特點(diǎn)使得 LED可以說是不易損壞的。 白光 LED燈的缺點(diǎn) （ 1） LED 燈具在交流電驅(qū)動(dòng)下和普通白熾燈一樣會(huì)有頻閃現(xiàn)象，而普通節(jié)能燈沒有頻閃現(xiàn)象。頻閃會(huì)使眼睛容易疲勞。 （ 2） 每個(gè) led燈泡的光線過亮， 會(huì)強(qiáng)烈刺激眼睛，不可直視，哪怕短時(shí)間，而普通節(jié)能燈相對(duì)要柔和些 。 （ 3） 照射角度有限制，一般只能照射 120176。 ，而普通節(jié)能燈幾乎可照射 360176。 。 （ 4） 照射房間的亮度并不比節(jié)能燈出色，因?yàn)?led只在直視的狹小角度內(nèi)有高亮度，而 偏離該角度后光線迅速減弱 我國(guó)白光 LED發(fā)展前景 半導(dǎo)體照明是 21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。進(jìn)行半導(dǎo)體照明的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的產(chǎn)業(yè)化和商品化，將加快我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，利用高新技術(shù)促進(jìn)照明電器、汽車和建筑等傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)改造和技術(shù)水平升級(jí)，同時(shí)將對(duì)能源與環(huán)境、電力電子和軍事等高新技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。 我國(guó)在超高亮度和白光 LED領(lǐng)域已具備一定的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但是，照明工業(yè)也存在大而不強(qiáng)的浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣 電子工程 學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 問題，主要做低端產(chǎn)品，利潤(rùn)率低，缺乏國(guó)際市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)力。直到現(xiàn)在，照明和城市美化所用的大部分 ，只有 5％的電能轉(zhuǎn)化成了光能。目前我國(guó)一年照明耗電量超過 2021億千瓦時(shí)，占全國(guó)用電總量的 12％。半導(dǎo)體燈替代傳統(tǒng)燈后，我國(guó)每年可節(jié)約近 1000億千瓦時(shí)，超過 2021年建成后的三峽電站的發(fā)電量。 為順應(yīng)半導(dǎo)體照明 —— 白光 LED這一世界高新技術(shù)發(fā)展潮流，我國(guó)已于 2021年 6月 17日成立了國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，科技部 會(huì)同信息產(chǎn)業(yè)部、建設(shè)部、教育部、中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)科學(xué)院等行業(yè)和地方，開始共同啟動(dòng)半導(dǎo)體照明工程。國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組的成立，對(duì)促進(jìn)我國(guó)白光 LED發(fā)展有著重大意義。 自從我國(guó)啟動(dòng)了半導(dǎo)體照明工程后，進(jìn)展很快。有 50多家企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)得到了 “ 十五 ” 科技攻關(guān)的立項(xiàng)支持， 60多名海外留學(xué)人員回國(guó)創(chuàng)業(yè)，一批新企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，我國(guó)科技部也啟動(dòng)了半導(dǎo)體照明示范工程項(xiàng)目，旨在建設(shè)一批具有代表性的工程，例如廈門鼓浪嶼亮化工程，通過政府采購(gòu)來(lái)推動(dòng)半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的應(yīng)用，并在應(yīng)用過程中逐步解決標(biāo)準(zhǔn)系列化 的問題。 據(jù)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)、科技部高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化司李健司長(zhǎng)分析，我國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇很好，有幾大有利條件： 第一，我國(guó)擁有巨大的照明工業(yè)和照明市場(chǎng)。我國(guó)現(xiàn)在是世界上第一大照明電器生產(chǎn)國(guó)和第二大照明電器出口國(guó)。去年銷售收入達(dá) 445億元，出口創(chuàng)匯達(dá) 43億美元。美國(guó)的年照明用電為 6000億千瓦時(shí)，約占用電總量的 20％。我國(guó)人口 5倍于美國(guó)，目前年照明用電才 2021億千瓦時(shí)，僅為美國(guó)的 1／ 3，占全國(guó)用電總量的 12％。這意味著照明工業(yè)在我國(guó)有著巨大的發(fā)展空間。全面建 設(shè)小康社會(huì)，廣大群眾對(duì) 新型照明更是有著旺盛的需求。 第二，我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域已具備一定的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。我國(guó)自主研制的第一個(gè) LED，比世界上第一個(gè) LED只晚幾個(gè)月。專家認(rèn)為，從總體上看，目前我國(guó)半導(dǎo)體 LED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家只相差 3年左右。我國(guó)已初步形成從外延片生產(chǎn)、芯片制備、器件封裝到集成應(yīng)用的比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。尤其是封裝已在國(guó)際市場(chǎng)上占有相當(dāng)大的份額，我國(guó)生產(chǎn)的紅光、黃光半導(dǎo)體燈在全球最有競(jìng)爭(zhēng)力，優(yōu)勢(shì)就在于封裝。 第三，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)是一個(gè)技術(shù)密集型加勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，比較適合我 們的國(guó)情，其風(fēng)險(xiǎn)和難度都低于微電子產(chǎn)業(yè)。 目前，我國(guó)發(fā)展半導(dǎo)