全方位深度解析LED历史及相关应用

　　在1962年诞生的初始，LED只是激光技术的副产品，但是经过岁月的打磨，它已经成为了照明业的王者。

　　回顾历史

　　1907年，英国马可尼(Marconi)实验室的科学家Henry Round第一次推论半导体PN结在一定的条件下可以发出光。这个发现奠定了LED被发明的物理基础。

　　1927年，俄罗斯科学家奥列弗拉基洛谢夫(Oleg Vladimirovich Losev)独立制作了世界上第一颗LED，其研究成果曾先后在俄国、德国和英国的科学杂志上发表，可惜当时并没有人理睬他。

　　1955年，美国无线电公司(RadioCorporation of America)33岁的物理学家鲁宾·布朗石泰(Rubin Braunstein)首次发现了砷化镓(GaAs)及其他半导体合金的红外放射作用并在物理上实现了二极管的发光，可惜发出的光不是可见光而是红外线，但这个贡献也很大了。

　　1961年，德州仪器公司(TI)的科学家鲍勃·布莱德(Bob Biard)和加里·皮特曼(Gary Pittman)发现砷化镓在施加电子流时会释放红外光辐射。他们率先生产出了用于商业用途的红外LED并获得了砷化镓红外二极管的发明专利。不久，红外LED就被广泛应用于传感及光电设备当中。

　　1962年，美国通用电气公司(GE)一名34岁的普通研究人员尼克·何伦亚克(Nick Holonyak Jr.)发明了可以发出红色可见光的LED，被称为“发光二极管之父”，后来也获得了N多奖项。当时的LED还只能手工制造，而且每只的售价需要10美元。1963年，他离开通用电气公司，出任其母校美国伊利诺大学电机工程系教授，培养自己的接班人。

　　1972年，何伦亚克的学生乔治·克劳福德(M. George Craford)踏着前辈们的脚步发明了第一颗橙黄光LED，其亮度是先前红光LED的10倍，这标志着LED向着提高发光效率方向迈出的第一步。

　　20世纪70年代末期，LED已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色，但依然没有蓝色和白色光的LED。因为只有发明出蓝光LED才可能实现全彩色LED显示，市场价值巨大，也是当时世界性的攻关难题。科学家们转而将重点放在了提高LED的发光效率上面。

　　20世纪70年代中期，LED可产生绿、黄、橙色光时，发光效为1流明/瓦，到了20世纪80年代中期对砷化镓和磷化铝的使用使得第一代高亮度红、黄、绿色光LED诞生，发光效率已达到10流明/瓦。

　　1993年，中村修二在日本日亚化学工业株式 会社(Nichia Corporation)就职期间，利用半导体材料氮化镓(GaN)和铟氮化稼(InGaN)发明了蓝光LED，在蓝光LED出现之前，由于无法通过RGB系统合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED无法应用于照明领域。因此在1995年中村修二采用铟氮化稼又发明了绿光LED，在1998年利用红、绿、蓝三种LED制成白光LED，从此绿光与白光LED研制成功，标志着LED正式进入照明领域，是LED照明发展最关键的里程碑。中村修二被称为“蓝光、绿光、白光LED之父”

　　1996年，日亚化学公司在日本最早申报的白光LED的发明专利就是在蓝光LED芯片上涂覆YAG黄色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉被激活后发出的黄光互补而形成白光。蓝色和白色光LED的出现拓宽了LED的应用领域，使全彩色LED显示、LED照明等应用成为可能。

　　21世纪初，LED已经可以发出任何可见光谱颜色的光(还包括有红外线和紫外线)。其发光效率已经达到100流明/瓦以上。

　　发光机理

　　LED取自Light Emitting Diode三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，具有二极管的特性。LED的心脏是一个半导体的晶片。晶片主要由P型半导体和N型半导体组成，不同材料的P型和N形半导体经正向电流作用下会发出不同色彩的光。

　　优点和缺点

　　先说优点

　　1.节能，比白炽灯节能80%以上，比节能灯节能50%以上

　　2.体积小，重量轻，不怕震动

　　3.光效高，是白炽灯15m/w的8倍，是荧光灯50 Lm/w的2倍多

　　4.光色可选择，LED光源的发光颜色和色温都可以灵活应用

　　5.方向性好，LED发光角度可以灵活调整

　　6.环保：没有节能灯所含的汞等有害物质

　　7.冷光源无紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射。

　　8.寿命长，寿命可达5万-10万小时比传统光源寿命长10-50倍以上。

　　9.响应速度快，纳秒级。

　　再说缺点

　　1.散热问题，LED在电致光的过程中另外一部分能量转化成热量，如无法及时散发出去，PN结的结温将会升高，加速芯片和封装树脂的老化，使芯片失效，影响LED的使用寿命与发光表现

　　2.防水性能差，是户外使用的一个致命弱点光源内部吸水后内部金属氧化影响输出或产生内应力、荧光粉吸潮变色，光色漂移

　　3.成本较高.光源.散热器.电源.高透灯罩/透镜/反射罩.四者成本集体推高LED成本

　　4.需要驱动器提供恒流电源，驱动器寿命是影响灯具寿命的重要因素

　　5.半导体器件，对静电影响比较敏感，易被静电击穿PN结导致漏电流或死灯

　　与传统光源相比

　　LED的特性

　　LED工作电压一般在2-3.9V之间。(不同光色的LED压降不一样)：绿色-3.3-3.9V;蓝色、宝蓝色-3.1-3.9V;红色、琥珀色、橘红色、-2.1-2.5V。LED的工作电流会随着供应电压的变化而产生较大的波动，所以LED一般要求工作在恒流驱动状态。LED具有单向导通的特性(电流只能从二极管的正极流入，负极流出)。LED的光输出会因应其输入的电流而产生变化。LED的光输出深受其工作温度的影响。

　　

 

　　LED芯片是半导体发光器件LED的核心部件，它主要由砷(AS).铝(AL).镓(Ga).铟(IN).磷(P).氮(N).锶(Si)这几种元素中的若干种组成。

　　生产过程

　　一般将LED的生产分为上、中、下游三部分。

　　上游：衬底、外延片、晶粒的生产

　　1.制造成单晶棒，再将单晶棒用钻石刀切成薄片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)长晶炉生长-掏取晶棒-滚磨-品检-切片-研磨- 倒角-抛光-清洗-品检-OK。

　　2.外延片生产-利用MOCVD金属有机化学气相淀积等方法在单晶衬底在上面磊晶衬底 - 结构设计 - 缓冲层生长- N型GaN层生长-多量子阱发光层生- P型GaN层生长–退火-检测(荧光、X射线)-外延片。

　　3.芯片生产-在外延片上制作电极(PN电极)并对成品进行切割分选等外延片活化-蚀刻-蒸镀-PN电极制作-保护层-上焊盘-研磨抛光-点测-切割-扩张-目检-包装。

　　中游： LED芯片的封装

　　1.上支架-点底胶-放芯片-烘烤固晶-金丝键合-模具灌胶-插支架-离模-后固化-切脚 -测试-光色分选-包装(草帽管、食人鱼等)。

　　2.上支架-点底胶-放芯片-烘烤固晶-金丝键合-点荧光胶-外壳灌封-测试-光色分选-包装(大功率LED)。

　　下游：LED光源的应用

　　光源模组、替代光源、灯具、灯条灯带、广告灯箱、灯光工程、家居装饰、显示屏、汽车尾灯植物生长、医疗、手机笔记本电视的背光源等等。

　　LED芯片种类

　　(按材料划分)

　　LED的封装

 

　　主要有三种封装方式

　　1. 环氧树脂封装工艺：

　　优点：密封性好、 抗震性强、 防护能力好、成本低。

　　缺点：散热效果不佳、耐黄变能力弱、应力大、抗紫外能力弱，焊接温度过高易开裂.故主要作为普光LED外封胶。

　　2. 硅树脂封装工艺：

　　优点：高折射率，高透光率，密封性能优于硅胶，散热能力介于环氧树脂和硅胶之间，具有树脂和硅胶的部分特性。

　　缺点：应力较硅胶大，防潮或焊接不当易出现胶裂/分层硅树脂由于价格昂贵，主要作为高亮度级白光LED外封胶。

　　3. 硅胶封装工艺：

　　优点：热膨胀系数小，散热性能好、应力较小、紫光能力强、回流焊时不容易胶裂、耐黄变能力强。

　　缺点：密封性不佳、防护能力弱、抗震性差，具有透氧透湿特性，用于户外时需对灯体结构进行二次防护处理硅脂相对价格较贵，主要作为对光衰有要求的白光LED封胶。

　　头疼的散热问题

　　LED在工作过程中会放出大量的热，使结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。

 

　　灰常重要的配光

　　配光可以控制LED灯具的照射范围，照射方向，估计有效安装高度、射程(当然跟光源有关系)，照射范围里的大概照度如何、照明环境的布光效果等。