1.LED照明概述
LED光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及”绿照明”概念逐步深入人心的产物.LED（Lighy Emitting Diode），又称发光二极管，它是一种可将电能转换为光能的半导体发光器件，它利用固体半导体芯片作为发光材料，当发光二极管两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光，因此LED是一种半导体固体光源，其发光效应称为电致发光.LED作为一种新型的照明技术，其应用前景举世瞩目，尤其是高亮度LED更被誉为21世纪最有价值的光源，已经引起照明领域一场新的革命，开创半导体照明光源的新时代.LED已经取代传统白炽灯、卤素灯和日光灯，成为第四代新光源. 2.高亮度LED照明光源的优势
照明应用是全球第二大能源消耗部门，约占所有能源消耗的19%.而降低能源消耗是我国乃至全世界各个国家的一项基本国策.在国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》里特别提出，我国要坚持节能优先，降低能耗，攻克主要耗能领域的节能关键技术，将高效节能、长寿命的半导体照明产品作为优先发展主题.
（1）寿命长
LED的发光原理是利用半导体中的正负离子复合而发出光子，不同于灯泡需要在3000度以上的高温下操作，也不必像日光灯需使用高电压激发电子束，LED和一般的电子组件相同，只需要2～3.6V的电压，在常温下就可以正常动作，因此其寿命也比传统光源来得更长，理论寿命可达10万小时以上(目前产业化产品的国外可达3-5万小时以上).普通白炽灯的寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过一万小时，即使是寿命最长的高压钠灯也不过二万多小时，因此传统的光源在这方面无法与半导体光源相比.而且在一些维护和换灯困难的场合，使用LED作为光源，可大大降低人工费用. 下面就将LED光源和节能灯寿命做个比较：节能灯的寿命一般在1800小时，按照每天6小时照明计算为300天.如果按照一个节能灯平均15元来计算，10年内要换至少10次灯泡，一万个节能灯泡在10年内要更换10万个节能灯泡总花费（150万元）.LED灯泡的寿命我们按照最保守的时间来计算，10年内不用更换灯泡，每个灯泡以5W的功率就可取代15W的节能灯泡，每个灯泡价格在70元，那么1万个灯泡的价格是70万元，在灯泡方面可节省80万的费用.折叠收纳箱
（2）功耗低
随着人类文明的进步，人们对照明的要求不再是一味地追求明亮.目前世界上许多国家都重视照明中的环保问题.照明的能量主要来源于由电能转换的光能，而电能又来自于石化燃料的燃烧.地球上的煤、天然气、石油等石化燃料的储量是有限的，随着人类的不断开采，其储量日益减少，世界能源状况不容乐观.采用节能高效的光源，能达到节省电力的目的.LED智能巡检终端
的能耗较小，是一种节能光源.LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作.同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一.目前白光LED的光效已经达到60lm/W，超过了普通白炽灯的水平，而且现在LED的技术发展很快，白炽灯的发光效率是8-15lm/W 左右，普通T-8卤素荧光灯光效可达40lm/W，T-5高效荧光灯可以达到80lm/W，而到2012，随着关键技术的突破，白光LED的光效有可能达到200～300lm/W，大大超过了现在所有照明光源的光效，在照明方面有着诱人的应用前景.如果我国室外照明都采用LED半导体光源，一年节电就相当于三峡水库一年所发的电.
下面是按一个公园一万只照明灯，分别采用节能灯和LED灯的耗电情况比较：
节能灯：15W×6小时×365天=32.850W
32.850W×0.8元×1万只=26.28万元
LED灯：5W×6小时×365天=10.95W
10.95W×0.8=8.76元×1万只=8.76万元
公园1万只灯每年可节省电费：17.52万元
（3）真正的绿照明
现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染.白炽灯废弃后也不易回收，也会造成浪费或环境污染.LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染.因此，LED是一种符合绿照明要求的清洁光源.它的高效舒适、安全经济、有益环境的特点，使它将在绿照明工程中扮演越来越重要的角.
（4）启动时间短
白炽灯是热辐射光源，给人的感觉是一点就亮，实际上白炽灯启动后也有约零点几秒的上升时间.气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，甚至需要几十秒至几十分的时间，这是由气体放电光源本身的特性决定的，因为多数气体放电灯的工作物质在常温下是液体或固体，启动后需要一个加热气化的过程，才能达到稳定的工作状态.而LED的响应时间只有几十纳秒，因此在一些需要快速响应或高速运动的场合，很适合用LED作为光源.
（5）结构牢固
LED是用环氧封装的半导体发光的固体光源，其结构中不包含玻璃、灯丝等易损坏的部件，是一种实心的全固体结构，因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏.LED的这一特性使它可以应用于使用条件较为苛刻和恶劣的场合.
（6）发光体接近点光源
LED的发光体芯片尺寸很小，在进行光源设计时基本上可以把它看作点光源，这样能给光源设计带来许多方便.白炽灯的发光体是灯丝，有一定的长度，荧光灯管的尺寸更大，这些照明光源都不能看成点光源，在光源设计时首先要建立一个光源辐射模型，处理起来有一定的难度.而点光源的光源辐射模型是最简单的，这有利于LED的光源设计.
常用光源参数比较如表1-1所示.
表1-1常用光源技术参数比较
节能灯灯头
3. LED的怎么一步步取代传统照明
（1）半导体的发光现象的研究阶段
1907年，Henry Joseph Round在观测金刚砂(SiC)电致发光的现象时，初次观察到了无机半导体的发
光现象.但因为无机半导体发出的黄光太过暗淡，他很快就放弃了这方面的研究.
20世纪20年代，德国科学家O.W.LOSSOW在研究SiC检波器时，再次观察到这种现象，但当时受到材料制备和器件工艺水平的限制，没有被迅速利用.
（2） LED应用初级阶段
1962年，GE公司Nick Holonyak带领的一个团队成功演示出第一个红光GaAsP发光二极管，仅6年后，Monsanto(孟山都)研发的指示灯以及Hewlett-Packard（IBM）研发的电子显示屏就将商业化LED推向了市场.
1965年仅0.1LM/W，指示灯，1968年，人们通过N掺杂工艺，使GaAsP LED的发光效率达到1lm/w，并出现了橙光和黄光.真正具有了商业价值.
波纹管换热器
20世纪80年代，使用AlGaAs(砷化镓铝)的第一代超亮LED诞生.产品首先是红、然后是黄，最后是绿.应用领域多.
（3）高亮度LED发展阶段
20世纪90年代，日本东芝公司和美国的HP公司，先后研发成功双异质结与多量子阱结构的橙和黄
InGaAlP(铟镓铝化磷)的组合又被用来生产超亮红、桔、黄及绿LED.20世纪90年代中期，日本的日亚（NICHIA）公司和美国的CREE公司，分别在蓝宝石和SIC衬底上成功研发了超亮蓝光GaN(氮化镓)LED，高亮度绿光、紫光及蓝光InGaN(氮化铟镓)LED随后也研发成功.
（4）高亮度LED应用阶段
2003年，日亚报道的光效达到60lm/W，2006年3月，其光效达到100lm/W。2006年7月，Cree公司报道了130lm/W白光LED。2006年11月，日亚报道的光效达到150lm/W，其效率已经超过节能灯，实现了真正意义上的照明，2007年3月，美国CREE公司光效达到157lm/W，目前LED的效率向大于200Lm/W前进。
由于半导体照明具有良好的应用前景，近年来，美国、日本、欧盟和韩国相继推出国家半导体照明计划，日本投资50亿日元制定了由多家公司和大学参加的21世纪照明技术研究发展计划；美国能源部设立了由13个国家重点实验室和大学参加的半导体照明国家研究项
目，计划耗资5亿开发LED照明；欧盟则委托6家大公司和两所大学，启动了彩虹计划；韩国在2000-2008年间投入12亿，将LED的发光效率提高到80lm/W[8]同时，世界三大照明公司GE、Phillips、Osram集团都已启动大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立半导体照明企业，并提出使LED灯发光效率再提高8倍，价格降低100倍.美国HP公司的R.Haitz等预计，到2020年左
右，半导体照明光源的发光效率将超过所有现有电光源，且能符合21世纪新光源的全部目标，实现这一目标可以减少用于照明的全球用电量的50%，即全球节电达1000亿/a，相应的照明灯具节省1000亿（其中相应的光源节省200亿），还可免去超过125GW的发电容量，节省开支500亿，合计节省开支2500亿，并可减少二氧化碳二氧化硫等污染废气3.5万亿t.
我国自主研制的第一只LED比世界上第一只LED仅仅晚几个月，但从总体上看，目前我国半导体LED产业的技术水平与发达国家还有很大差距.大功率LED封装领域的产业化技术竞争力不强，而大功率LED用外延片和芯片还处于研发阶段.但国家正大力推进半导体照明（主要是WLED照明）的研发和应用国家发改委计划十一五期间安排100亿元资金用于发展我国LED照明产业；国家半导体照明工程计划2003年启动，根据计划，到2012年后LED照明将逐步取代白炽灯和荧光灯2009年科技部开展十城万盏半导体应用工程试点，计划在天津市、南昌市、石家庄市、大连市、上海市、杭州市、厦门市、重庆市、西安市等21个城市开展半导体照明应用工程试点工作这一系列的政策必将使我国WLED照明技术在全球一枝独秀.
LED照明的发展如表1-2所示.
表1-2 LED发展
4. LED的光特性
(1)．物体光辐射原理
光是一种能量的形态，它可以从一个物体传播到另一个物体，其中无需任何物质作媒介.通常将这种能量的传递方式谓之辐射，其含义是能量从能源出发沿直线（在同一介质内）向
沙画工具
四面八方传播.可见光的光波只占有很小的空间，其波长范围处在380nm-770nm 之间，包含了人眼可辩别的紫、靛、蓝、绿、橙、红七种颜.
物体的发光方式有热光和冷光，所谓热光又叫热辐射，它的发光原理是指物质在高温下发出的光.比如白炽灯，当钨丝在真空或是惰性气体中加热至很高的温度，就会发出白光.冷光的发光原理是某种能源在较低温度时所发出的光.发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态.由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态.由于这种发光过程不伴随物体的加热，因此将这种形式的光称之为冷光.实际中，产生冷光的有生物发光，萤火虫.化学发光，荧光粉.阴极射线发光，荧光灯、金卤灯.场致发光，无极灯.电致发光，LED.
电致发光原理：电场的作用激发电子由低能态跃迁到高能态，当这些电子从高能态回到低能态的时候，根据能量守恒原理，多余的能量将以光的形式释放出来.
(2)LED 的发光原理
LED 是由Ⅲ-Ⅳ族化合物（III-V 族化合物，是元素周期表中III 族的B ，Al ，Ga ，In 和V 族的N ，P ，As ，Sb 形成的化合物，主要包括镓化砷GaAs 、磷化铟InP 和氮化镓等），如砷化镓GaAs 、磷化镓GaP 、磷砷化镓GaAsP 等半导体制成的，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生P 、N 架构.因
此它具有一般P-N 结的I-N 特性，即正
向导通，反向截止、击穿特性.此外，在
一定条件下，它还具有发光特性.两种不
同的载流子（在半导体内运动的电荷载
体.一般指其中的自由电子或空穴）空穴
和电子在不同的电极电压作用下从电极
流向p 、n 架构.当空穴和电子相遇而产
生复合，电子会跌落到较低的能阶（原
子或原子核内，电子或核子所能存在的
量子态），同时以光子的模式释放出能量，
如图1-1所示。
假设发光是在P 区中发生的，那么
注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光.除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光.发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高.由于复合是
在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN 结
木材炭化炉面数µm 以内产生.
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区
域的半导体材料禁带宽度Eg （禁带宽度越窄就
越是导体，反之是绝缘体）有关，即
λ≈1240/Eg （mm ）
式中Eg 的单位为电子伏特（eV ）.Eg 越大，
所发出的光子波长就越短，颜就会蓝移.反之，图1-1 LED 发光原理图
图1-2发光二极管结构
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