半导体照明的介绍

半导体照明是一种采用发光二极管（LED）作为光源的照明装置，广泛应用于装饰灯、城市景观照明、交通信号灯、大屏幕显示、仪器仪表指示灯、汽车用灯、手机及PDA背光源、电脑及普通照明等领域。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它是半导体制成的光电器件，可将电能转换为光能。半导体照明相同亮度的能耗仅为普通白炽灯的十分之一，而寿命却为其100倍，被誉为“21世纪新固体光源时代的革命性技术”。

半导体照明产品的构成及其发光原理

与白炽灯和节能灯不同的是，半导体照明采用电场发光。它的基本结构是将一块电致发光的半导体材料置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。LED因使用材料的不同，其二极管内电子、空穴所占能级也有所不同，能级差的不同使载流子复合时产生的光子的能量不同，从而形成不同波长的光。

由于半导体照明能把电能直接转换为光能，因此从理论上可以产生较高的光效。近几年来， LED的光效提高很快。在1998年，白光LED的光效只有5 lm/W，但在2000年时，白光LED的光效已达25 lm/W，这一指标与卤钨灯相近。2008年7月22日，位于加州的欧司朗公司在开发高亮度、高效率LED上取得了新的突破，在350 mA的标准条件下，亮度的峰值达到155 lm，效率达到136 lm/W。2009年，世界LED巨头Cree、Nichia新近宣布LED的发光效率实验值分别是161 lm/W@350 mA、145 lm/W@350 mA，这些结果都已经大大超过了现有照明灯具的光效。当然，上述这些都是在实验室取得的，在实际应用中，由于受散热性等多方面的影响，LED的光效仅只有几十lm/W。不过以当前LED技术的发展速度，相信LED光效的瓶颈会得到突破，从而真正实现LED照明的广泛应用。

半导体照明产品的分类

LED常见分类主要有以下五种方式：

(1) 按发光管发光颜色：可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。目前，为了提高LED的发光效率，推动LED在通用照明领域的应用，用红、绿、蓝三基色或其他途径合成白光LED成为该领域的研究热点。

(2) 按发光管出光面特征：可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为Φ2 mm、Φ4.4 mm、Φ5 mm、Φ8 mm、Φ10 mm及Φ20 mm等。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

(3) 按照发光强度角分布图，可分为以下三类：

高指向性：一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

标准型：通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

散射型：这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

(4) 按发光二极管的结构：可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

(5) 按发光强度和工作电流：按发光强度可分为普通亮度的LED（发光强度小于10 mcd）、高亮度的LED（发光强度介于10～100 mcd之间）和超高亮度的LED（发光强度大于100 mcd）；按照工作电流，可分为一般LED和低电流LED，其中一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2 mA以下（亮度与普通发光管相同）。

半导体照明产品的特点

在当前全球能源短缺的形势下，节约能源是我们正面临的重要问题。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，它的节能、环保、寿命长等特点，正是其不断受到世界各国推崇的重要原因：

(1) 寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时，一个LED灯在理想情况下可以使用50年。

(2) 色彩丰富：LED已经实现了多个波长的单基色，有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等，基本满足了应用领域对LED色彩的要求，随着更多新材料的开发，还会实现更多的基色及至全彩色。

(3) 稳定可靠：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小。在LED的寿命期内，LED一般都能稳定地工作，维护工作量较小。

(4) 电气安全性高：LED一般工作在低电压（6-24 V）、小电流（10-20 mA）环境下，属弱电级工作器件，有较好的电气安全性能。

(5) 节能环保效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到50%以上，而光效相近的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。而且LED灯不存在有害金属汞污染等问题，符合社会发展趋势。

(6) 应用灵活性好：LED可进行低压供电，也可用110 V/220 V电源供电，加上单粒LED的体积小（芯片更小，只用3-5 mm2），可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。

(7) 受控制能力强：现有的技术已经可以实现LED的亮度、灰度、动态显示、分布控制等，是其它发光装置无可比拟的。

(8) 抗震性能优越：LED的坚固、耐震、耐冲击性能都超过了目前所有其它类型的电光源产品。

(9) 响应速度快：LED的响应速度在毫秒级，可以有效地应用于显示屏、汽车刹车灯、相机闪光灯等领域。

(10) 显色性能良好：白色LED目前的显色指数Ra达到了70以上，色温范围从3600 K到11000 K不等（随荧光粉不同而变），而且已经获得了实验室提高的方案。

此外，LED还具有亮度高、无干扰、方向性好等特点。

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光源的类型有以下几种： 1、二基色荧光粉转换白光LED光源 二基色白光LED是利用蓝光LED芯片和YAG荧光粉制成的。一般使用的蓝光芯片是InGaN芯片，另外也可以使用A1InGaN芯片。蓝光芯片LED配YAG荧光粉方法的优点是：结构简单，成本较低，制作工艺相对简单，而且YAG荧光粉在荧光灯中应用了许多年，工艺比较成熟。其缺点是，蓝光LED效率不够高，到使LED效率较低；荧光粉自身存在能量损耗；荧光粉与封装材料随着时间老化，导致色温漂移和寿命缩短等。 2、三基色荧光粉转换白光LED光源 在较高效率前提下有效提升LED的显色性。得到三基色白光LED的最常用办法是，利用紫外光LED激发一组可被辐射有效的三基色荧光粉。这种类型的白光LED具有高显色性，光色和色温可调，使用高转换效率的荧光粉可以提高LED的光效。不过，紫外LED+三基色荧光粉的方法还存在一定的缺陷，比如荧光粉在转换紫外辐射时效率较低粉体混合较为困难；封装材料在紫外光照射下容易老化，寿命较短等。 3、多芯片白光LED光源 将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起，也可以得到白光。这种类型的白光LED光源，称为多芯片白光LED光源。与荧光粉转换白光LED相比，这种类型LED的好处是避免了荧光粉在光转换过程中的能量损耗，可以得到较高的光效；而且可以分开控制不同光色LED的光强，达到全彩变色效果，并可通过LED的波长和强度的选择得到较好的显色性。此方法弊端在于，不同光色的LED芯片的半导体材质相差很大，量子效率不同，光色随驱动电流和温度变化不一致，随时间的衰减速度也不同。为了保持颜色的稳定性，需要对3种颜色的LED分别加反馈电路进行补偿和调节，这就使得电路过于复杂。另外，散热也是困扰多芯片白光LED光源的主要问题。

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光器件分类 光器件分为有源器件和无源器件两种。

光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，需要外加能源驱动工作，是光传输系统的心脏。包括：半导体光源（LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL）；半导体光探测器（PD,PIN,APD）；光纤激光器（OFL：单波长、多波长）；光放大器（SOA、EDFA）；光调制器（EA）等。

光无源器件是光通信系统中需要消耗一定的能量、具有一定功能而没有光—电或电—光转换的器件，不需要外加能源驱动工作。包括光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光开关、光滤波器、光衰减器、光隔离器与环形器等，是光传输系统的关节。

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