【文章內(nèi)容簡介】 體比前年增長了 34%。 預(yù)計 2020 年可達(dá) 3000 億以上 ，每年至至少以 30%的速度增長 其中，商業(yè)、家居、道路等功能照明占比 15%，市場規(guī)模達(dá) 450 億；顯示屏占比 10%，規(guī)模達(dá) 300億；景觀照明占 20%，規(guī)模 600 億。 LED 照明發(fā) 展迅猛，盡管經(jīng)歷種種困擾，但隨著技術(shù)不斷革新，市場應(yīng)用愈加拓寬 。 數(shù)據(jù)顯示， 2020 年， LED的應(yīng)用領(lǐng)域包括 : (1) 建筑物外觀照明 對建筑物某個區(qū)域進(jìn)行投射，無非是使用控制光束角的圓頭和方頭形狀的投光燈具，這與傳統(tǒng)的投光燈具概念完全一致。但是，由于ＬＥＤ光源小而薄， 線性投LED 的驅(qū)動電路研究設(shè)計 4 射燈具的研發(fā)無疑成為ＬＥＤ投射燈具的一大亮點，因為許多建筑物根本沒有出挑的地方放置傳統(tǒng)的投光燈。它的安裝便捷，可以水準(zhǔn)也可以垂直方向安裝，與建筑物表面更好地結(jié)合，為照明設(shè)計師帶來了新的照明語匯，拓展了創(chuàng)作空間。并將對現(xiàn)代建筑和歷史建筑的照明手法產(chǎn)生了影響。 (2) 景觀照明 由于ＬＥＤ不像傳統(tǒng)燈具光源多是玻璃泡殼，它可以與城市街道家具很好的有機(jī)結(jié)合?？梢栽诔鞘械男蓍e空間如路徑、樓梯、甲板、濱水地帶、園藝進(jìn)行照明。對于花卉或低矮的灌木，可以使用ＬＥＤ作為光源進(jìn)行照明。ＬＥＤ隱藏式的投光燈具會特別受到青睞 。固定端可以設(shè)計為插拔式，依據(jù)植物生長的高度，方便進(jìn)行調(diào)節(jié)。 (3) 標(biāo)識與指示性照明 需要進(jìn)行空間限定和引導(dǎo)的場所，如道路路面的分隔顯示、樓梯踏步的局部照明、緊急出口的指示照明，可以使用表面亮度適當(dāng)?shù)模蹋牛淖园l(fā)光埋地?zé)艋蚯对诖怪眽γ娴臒艟撸缬皠≡河^眾廳內(nèi)的地面引導(dǎo)燈或座椅側(cè)面的指示燈，以及購物中心內(nèi)樓層的引導(dǎo)燈等。另外，ＬＥＤ與霓虹燈相比，由于是低壓，沒有易碎的玻璃，不會因為制作中彎曲而增加費用，值得在標(biāo)識設(shè)計中推廣使用。 (4) 室內(nèi)空間展示照明 就照明品質(zhì)來說，由于ＬＥＤ光源沒有熱量、紫外與紅外輻射 ，對展品或商品不會產(chǎn)生損害，與傳統(tǒng)光源比較，燈具不需要附加濾光裝置，照明系統(tǒng)簡單，費用低廉，易于安裝。其精確的布光，可作為博物館光纖照明的替代品。商業(yè)照明大都會使用彩色的ＬＥＤ，室內(nèi)裝飾性的白光ＬＥＤ結(jié)合室內(nèi)裝修為室內(nèi)提供輔助性照明，暗藏光帶可以使用ＬＥＤ，對于低矮的空間特別有利。 (5) 娛樂場所及舞臺照明 由于ＬＥＤ的動態(tài)、數(shù)字化控制色彩、亮度和調(diào)光，活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動態(tài)的照明效果。從白光到全光譜中的任意顏色，ＬＥＤ的使用在這類空間的照明中開啟了新的思路。長壽命、高流明的維持值（ 10， 000 小 時后仍然維持 90％的光通），與ＰＡＲ燈和金鹵燈的 50～ 250 小時的壽命相比，降低了維護(hù)費用和更換光源的頻率。另外，ＬＥＤ克服了金鹵燈使用一段時間后顏色偏移的現(xiàn)象。與ＰＡＲ燈相比，沒有熱輻射，可以使空間變得更加舒適。目前ＬＥＤ彩色裝飾墻面在餐飲建筑中的應(yīng)用已蔚然成風(fēng)。 (6) 視頻屏幕全彩色ＬＥＤ 顯示屏是當(dāng)今世界上最為引人注目的戶外大型顯示裝置，采用先進(jìn)的數(shù)字化視巢湖學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 頻處理技術(shù)，有無可比擬的超大面積與超高亮度。根據(jù)不同的戶內(nèi)外環(huán)境，采用各種規(guī)格的發(fā)光像素，實現(xiàn)不同的亮度、色彩、分辨率，以滿足各種用途。它可以動態(tài)顯示圖文動畫信息，利用多媒體技術(shù)，可播放各類多媒體文件。世 界上目前最有影響的ＬＥＤ顯示屏，當(dāng)屬美國曼哈頓時代廣場紐約證券交易所，總計使用了18,677,760 只ＬＥＤ，面積為 10,736 平方英尺。屏幕可以劃分成多個畫面，而同時顯示，將華爾街股市的行情一目了然呈現(xiàn)在公眾面前。另外崛起在上海浦東陸家嘴金融中心的震旦國際總部，整個朝向浦西的建筑立面鑲上了長 100ｍ的超大型ＬＥＤ屏，總計面積達(dá)到 3600 平方米?？胺Q世界第一。 (7) 車輛指示燈照明 汽車用白熾燈不耐震動撞擊，易損壞，壽命短，要經(jīng)常更換。 LED 作 為汽車燈主要因為其壽命長、低功耗、響應(yīng)速度快等特點。 1987 年我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，在發(fā)達(dá)國家，使用 LED制造的中央后置高位剎車燈已經(jīng)成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)件。 LED 已經(jīng)滲透到汽車電子領(lǐng)域，憑借著汽車的巨大市場， LED 車燈市場有巨大發(fā)展?jié)摿Α? 2 LED 原理 2． 1 LED 發(fā)光原理 與結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管通常用元素周期表中 III、 V族元素的化合物，如 鎵（ Ga）與砷（ AS）、磷（ P）的化合物制成的 ， 是一種半導(dǎo)體器件。 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。 LED 的結(jié)構(gòu)如圖（ 1） 、 （ 2）所示。 LED 的驅(qū)動電路研究設(shè)計 6 圖 1 LED 的結(jié)構(gòu) 圖 2 LED 的結(jié)構(gòu) 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，在 P型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為 PN 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。 PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?。 發(fā)光二極管就是通過這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管 。 當(dāng) 它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），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)。 當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從 P區(qū)注入到 N 區(qū)的空穴和由 N 區(qū)注入到 P 區(qū)的電子，在 PN 結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與 N 區(qū)的電子和 P 區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出 的光的波長越短。 光譜范圍是比較窄的，其波長由所使用的基本材料而定。 常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。 用 GaN 形成的藍(lán)光 LED1993 年，當(dāng)時在日本日亞化工工作的中村修二發(fā)明了基于寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（ GaN）和銦氮化稼（ InGaN）的具有商業(yè)應(yīng)用價值的藍(lán)光 LED，這類 LED 在 1990 年代后期得到廣泛應(yīng)用。理論上藍(lán)光 LED 結(jié)合原有的紅光 LED 和綠光 LED 可產(chǎn)生白光，但白光 LED 卻很少是這樣造出來的?，F(xiàn)時生產(chǎn)的白光 LED 大部分是通過在藍(lán)光 LED(nearUV,波長 450nm 至 470nm)上覆蓋一層淡黃色熒光粉涂層制成的， 發(fā)光二極管的兩根引線中較長的一根為正極，應(yīng)接電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。 發(fā)光二極管與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點巢湖學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。 2． 2 LED 的主要參數(shù)與特性 2． 2． 1 單向?qū)щ娦? 當(dāng) PN 結(jié)外加電壓 VF 的電場方向 （由 P 指向 N） 與 PN 結(jié)內(nèi)電場方向相反， PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破， P區(qū)的多數(shù)載流子空穴和 N區(qū)的多數(shù)載流子電子都要向 PN 結(jié)移動，使 空間電荷區(qū)電荷量減少， PN 結(jié)變窄，這時耗盡區(qū)厚度變薄， 耗盡區(qū)中載流子增加， 電阻阻值變小， PN 結(jié)電場強(qiáng)度減小，有利于 P 區(qū)和 N區(qū)中多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動，形成擴(kuò)散電流。這時擴(kuò)散運動超過漂移運動，在外電路上形成一個流入 P區(qū)的電流 IF ， PN 結(jié)導(dǎo)通 ，這時 PN 結(jié)處于 正 向偏置 。 PN 結(jié)兩端加反向電壓 VR 時，P 區(qū)的空穴和 N區(qū)的電子都將進(jìn)一步離開 PN結(jié)， 這時 PN結(jié)處于反向偏置， 使耗盡區(qū)厚度加寬， PN 結(jié)電場強(qiáng)度增大，阻礙了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運動，擴(kuò)散電流趨近于零，但是結(jié)電場的增加，使少數(shù)載流子更易產(chǎn)生漂移運動，漂移電流方向與擴(kuò)散電流方向相反，表現(xiàn)在外電路有一個流入 N 區(qū)的反向電流 IR ，由于少數(shù)載流子濃度很小，所以 IR 是很微弱的。少數(shù)載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其數(shù)值取決于溫度，與外界電壓 VR 無關(guān)，在一定溫度下，電流的值趨于恒定 ，可認(rèn)為它基本上是不導(dǎo)電的， PN 結(jié)截止 。 由此看來， PN 結(jié)加正向電壓時，電阻值很小， PN 結(jié)導(dǎo)通；加反向電壓時，電阻值很大， PN結(jié)截止，這就是其單向?qū)щ娦浴? 2． 2． 2 VI 特性 以硅結(jié)型二極管為例， 在二極管 PN 結(jié)的兩端，施加正、反向電壓時，通過管子的電 流如圖（ 3） 所示。 LED 的驅(qū)動電路研究設(shè)計 8 圖 3 硅二極管 PN結(jié)的 VI 特性 根據(jù)理論分析， PN結(jié) 的 VI特性可表達(dá)為 iD =IS (e TDnVv / 1) (1) 式中 iD 為通過 PN 結(jié)的電流； vD 為 PN結(jié)兩端的外加電壓； n為發(fā)射系數(shù)，它與 PN結(jié)的尺寸、材料及通過的電流有關(guān)，其值在 1～ 2 之間； VT 為溫度的電壓當(dāng)量，VT =kT/q。其中 k 為玻耳茲曼常數(shù)（ 1023? J/K） ， T 為熱力學(xué)溫度，即絕對溫度（單位為 K， 0 K=273℃）， q 為電子電荷（ 1019? C），常溫（ 300K）下，VT =。e 為自然對數(shù)的底； I 為反向飽和電流。對于分立器件，其典型值約為108? A～ 1014? A的范圍內(nèi)。集成電路中的二極管 PN 結(jié)，其 IS 值則更小。 關(guān)于式（ 1），可解釋如下： ① 當(dāng)二極管的 PN 結(jié)兩端加正向電壓時，電壓 vD 為正值，當(dāng) vD 比 VT 大幾倍時，式（ 1）中的 e TDnVv / 遠(yuǎn)大于 1，括號中的 1可以忽略。這樣，二極管的電流 iD與電壓 vD 成指數(shù)關(guān)系 ，如圖 3 中的正向電壓部分所示。 ② 當(dāng)二極管的 PN 結(jié)兩端加反向電壓時， vD 為負(fù)值，若︱ vD ︱比 nVT 大幾倍時， 指數(shù)項趨近于零，因此 iD =IS ，如 圖（ 3） 中的反向電壓部分所示?？梢姕囟纫欢〞r反向飽和電流是個常數(shù) IS ，不隨外加電壓的大小而變化。 2． 2． 3 PN 結(jié)的反向擊穿 如果 加到 PN 結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加，如圖 4所示。這個現(xiàn)象就稱為 PN 結(jié)的反向擊穿（電擊穿）。發(fā)生擊穿所需的反向電壓 VRB 稱為反向擊穿電壓。 PN結(jié)電擊穿后電流很大，容易使 PN 結(jié)發(fā)熱。這時 PN 結(jié)的電流和溫度進(jìn)一步升高，從而很容易燒毀 PN 結(jié)。反向擊穿電壓的大小與 PN 結(jié)制造參數(shù)巢湖學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 有關(guān)。 電擊穿的一個原因是碰撞電離產(chǎn)生的倍增效應(yīng)使 PN 結(jié)雪崩擊穿，另一個原因是齊納擊穿。這兩種電擊穿過程是可逆的，當(dāng)反向電壓降低后，就可恢復(fù)原來狀態(tài)。但它有一個前提條件，就是反向 電流和反向電壓的乘積不超過 PN 結(jié)容許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不 出去而使 PN 結(jié)溫度上升，直到過熱而燒毀，這種現(xiàn)象就是熱擊穿。 圖 4 PN 結(jié)的反向擊穿 2． 2． 4 極間電容 極間電容 Cd =CD + CB ， CD 為擴(kuò)散電容， CB 為勢壘電容。 (1) 擴(kuò)散電容 CD 若外加正向電壓有一增量△ V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴(kuò)散運動在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量△ Q