半导体照明技术(第九讲)

1、 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第十一章第十一章 白光发光二极管白光发光二极管 对于一般照明而言，人们对于一般照明而言，人们更需要白色的光源更需要白色的光源。 研制研制白光发光二极管是半导体照明的主要目标，替代白炽灯、白光发光二极管是半导体照明的主要目标，替代白炽灯、荧光灯这些白光光源是半导体照明工程的最终目标。荧光灯这些白光光源是半导体照明工程的最终目标。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术LED的分類一般一般短波長紅外光短波長紅外光 高亮度高亮度長波長紅外光長波長紅外光可見光可見光不可見光不可見光LED波長450780nm光波長8501550nm850950nm850950

2、nm 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术LED各材料比較 材料禁制帶寬度(eV)發光波長發光顏色GaAs1.35940 接近紅外線GaP2.26700 紅565 綠555 純綠GaAs1-xPx/GaAs 590660 紅GaAs1-xPx/ GaP630 紅610橙590黃Ga1-xAlxAs1.422.26660 紅GaN3.39400 藍、紫 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第一节第一节 新世纪光源的研制目标新世纪光源的研制目标 人们对新世纪光源的要求是高效、高显色性和环保。照明用人们对新世纪光源的要求是高效、高显色性和环保。照明用白光白光LEDLED的具体技术要求如下：的

3、具体技术要求如下：1 1、发光效率：、发光效率：要求最终达到要求最终达到200lm/W200lm/W以上。以上。2 2、显色指数：、显色指数：希望达到希望达到100100，一般要求也在，一般要求也在8080以上。以上。3 3、色温：、色温：2500-6000K2500-6000K之间。之间。4 4、寿命：、寿命：5 5万万-10-10万小时。万小时。5 5、光通量：、光通量：希望达到希望达到1Klm1Klm以上。以上。6 6、环保：、环保：要求不使用对人体有害、会污染环境的有害物质，如要求不使用对人体有害、会污染环境的有害物质，如汞、铅、镉等。汞、铅、镉等。 半半 导导 体体 照照 明明 技技

4、 术术 1、白光、白光LED的发明的发明 白光白光LED 于于1998年开发成功。这种年开发成功。这种LED是将是将GaN芯片芯片和钇铝石榴石（和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光芯片发蓝光（p=465nm），高温烧结制成的含），高温烧结制成的含Ce3+的的YAG荧光粉受荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光。蓝光LED基基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另基片发出的蓝光部分被荧光粉吸

5、收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。 现在，对于现在，对于InGaN/YAG白色白色LED，通过改变，通过改变YAG荧光荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。的各色白光。 二、白光二、白光LEDLED概述概述 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术在技术方面白光在技术方面白光LEDLED目前主要分为两种发光方式目前主要分为两种发光方式: : 目前主要的商品化做法是由日亚化学目前主要的商品化做法是由日亚化学(Nichia)(Nichi

6、a)以以460nm460nm波波长的长的InGaNInGaN蓝光晶片涂上一层蓝光晶片涂上一层YAGYAG荧光物质，利用蓝光荧光物质，利用蓝光LEDLED照射照射此荧光粉便产生与蓝光互补的此荧光粉便产生与蓝光互补的555nm555nm波长黄光，再利用透镜原波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，得到白光。理将互补的黄光、蓝光予以混合，得到白光。白光白光LEDLED开发基开发基础在于蓝光技术，目前在蓝光础在于蓝光技术，目前在蓝光LEDLED技术方面仍以日亚化学领先，技术方面仍以日亚化学领先，拥有众多专利权。拥有众多专利权。 第二种是日本住友电工开发出以第二种是日本住友电工开发出以ZnS

7、eZnSe为材料的白光为材料的白光LEDLED，不过发光效率较差，但由于目前白光不过发光效率较差，但由于目前白光LEDLED市场热销，仍呈现供市场热销，仍呈现供不应由求现象。不应由求现象。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2、白光、白光LED的种类和原理的种类和原理 芯片数芯片数激发源激发源发光材料发光材料发光原理发光原理 1 蓝色蓝色LED InGaN/YAG InGaN的蓝光与的蓝光与YAG的黄光混的黄光混合成白光合成白光 蓝色蓝色LED InGaN/荧光粉荧光粉 InGaN的蓝光激发的红绿蓝三的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光基色荧光粉发白光 蓝色蓝色LED ZnSe 由薄膜层

8、发出的蓝光和在基板由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混色成白光上激发出的黄光混色成白光 紫外紫外LED InGaN/荧光粉荧光粉 InGaN的紫外激发的红绿蓝三的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光基色荧光粉发白光 2 蓝色蓝色LED 黄绿黄绿LED InGaN、GaP 将具有补色关系的两种芯片封将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色装在一起，构成白色LED 3 蓝色蓝色LED 绿色绿色LED 红色红色LED InGaN AlInGaP 将发三原色的三种小片封装在将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色一起，构成白色LED 多个多个 多种光色多种光色的的LED InGaN、GaP A

9、lInGaP 将遍布可见光区的多种光芯片将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色封装在一起，构成白色LED 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术3、白光、白光LED的特点的特点 白光白光LED是最被看好的是最被看好的LED新兴产品，其在照明市场的发新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，白光展潜力值得期待。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，白光LED具具有有体积小体积小(多颗、多种组合多颗、多种组合)、发热量低发热量低(没有热幅射没有热幅射)、耗电量小耗电量小(低电压、低电流起动低电压、低电流起动)、寿命长寿命长(1万小时以上万小时以上)、反应速度快反应速度快

10、(可可在高频操作在高频操作)、环保环保(废弃物可回收，没有污染废弃物可回收，没有污染)、可平面封装易、可平面封装易开发成轻薄短小产品等优点，是被业界看好在未来开发成轻薄短小产品等优点，是被业界看好在未来10年内，成年内，成为替代传统照明器具的一大潜力商品。为替代传统照明器具的一大潜力商品。 目前白光目前白光LED仍处于初期发展阶段，在使用寿命上仍待改仍处于初期发展阶段，在使用寿命上仍待改进，但基本上没有白炽灯泡、荧光灯的缺点，价格过高是未能进，但基本上没有白炽灯泡、荧光灯的缺点，价格过高是未能普及的主要原因。普及的主要原因。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术白光白光LED与现行照明设备

11、比较与现行照明设备比较照明方式照明方式特点特点白光白光LED具有发热量低、耗电量少（白炽灯泡的八分之一，荧具有发热量低、耗电量少（白炽灯泡的八分之一，荧光灯泡的二分之一）、寿命长（数万小时以上，是荧光灯泡的二分之一）、寿命长（数万小时以上，是荧光灯的光灯的10倍）、反应速度快、体积小可平面封装等优倍）、反应速度快、体积小可平面封装等优点，易开发成轻薄短小的产品，是被业界看好在未来点，易开发成轻薄短小的产品，是被业界看好在未来10年内，成为替代传统照明器具的一潜力商品。年内，成为替代传统照明器具的一潜力商品。荧光灯荧光灯荧光灯省电，但废弃物有汞污染、易碎等问题。荧光灯省电，但废弃物有汞污染、易碎

12、等问题。白炽灯白炽灯低效率、高耗电、寿命短、易碎。低效率、高耗电、寿命短、易碎。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术白光白光LED照明效益分析照明效益分析节省节省110110亿度电，亿度电，约合约合1 1座核电厂发座核电厂发电量。电量。2525白炽灯及白炽灯及100100日光灯被日光灯被白光白光LEDLED取代取代台湾台湾每年节省每年节省1010亿公升亿公升以上的原油消耗。以上的原油消耗。可减少可减少1-21-2座核电座核电厂发电量。厂发电量。100100白炽灯被白炽灯被白光白光LEDLED取代取代日本日本每年减少每年减少7.557.55亿吨亿吨二氧化碳排放量。二氧化碳排放量。每年节省每

13、年节省350350亿美亿美元电费。元电费。5555白炽灯及白炽灯及5555日光灯被白光日光灯被白光LEDLED取代取代美国美国降低二氧化碳排放降低二氧化碳排放能源节约能源节约条件条件地区条件地区条件效益效益 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术4、白光、白光LED的应用的应用 未来白光未来白光LED的应用市场将非常广泛，包括手电筒、装饰的应用市场将非常广泛，包括手电筒、装饰灯、灯、LCD背光源、汽车内部照明市场、投影灯源等，不过最被背光源、汽车内部照明市场、投影灯源等，不过最被看好的市场以及最大的市场还是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯。看好的市场以及最大的市场还是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯。 半半

14、 导导 体体 照照 明明 技技 术术5、白光、白光LED主要生产企业介绍主要生产企业介绍 在在LED业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺业者中，日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度研发出不同波长的高亮度LED，以及蓝紫光半导体激光，以及蓝紫光半导体激光（Laser Diode；LD），是业界握有蓝光），是业界握有蓝光LED专利权的重专利权的重量级业者。量级业者。 目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、目前除日亚化学和住友电工外，还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普，美商东芝和夏普，美商Cree，全球，全球3大照明厂奇异、飞利浦、大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及欧司朗以及H

15、P、Siemens、 Research、EMCORE等都等都投入了该产品的研发生产，对促进白光投入了该产品的研发生产，对促进白光LED产品的产业化、产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。市场化方面起到了积极的促进作用。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术6、白光、白光LED技术未来发展趋势技术未来发展趋势 未来白光未来白光LED在技术上有朝三波长全彩发展的趋势，在亮在技术上有朝三波长全彩发展的趋势，在亮度上目前每瓦度上目前每瓦15流明，未来目标是达到每瓦流明，未来目标是达到每瓦100流明；在价格流明；在价格上现阶段每个约上现阶段每个约5元人民币，未来目标降至元人民币，未来目标降至

16、1元人民币。因此，元人民币。因此，三波长全彩、高流明、低成本是白光三波长全彩、高流明、低成本是白光LED的发展趋势的发展趋势。目前全。目前全球大厂正积极努力中，预计在球大厂正积极努力中，预计在2010年前可达成此目标。年前可达成此目标。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第三节第三节 人造白光的最佳化人造白光的最佳化一、发光效率和显色性的折中一、发光效率和显色性的折中 1、发光效率、发光效率v= e.K，辐射效率依赖于器件的能量转换性，辐射效率依赖于器件的能量转换性能，技术不断发展，就会不断提高。光视效能能，技术不断发展，就会不断提高。光视效能K仅依赖于光发仅依赖于光发射体的光谱功率分布

17、，而与产生发射的手段无关。射体的光谱功率分布，而与产生发射的手段无关。 0780380)()()()/(683dSdSVWlmK最大效能值在最大效能值在555nm555nm处，为处，为683lm/W683lm/W。对于给定的光谱功率分布对于给定的光谱功率分布S()，光视效能由下式决定：，光视效能由下式决定： 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术一是一是把内量子效率和取光效率最大化，从而获把内量子效率和取光效率最大化，从而获得最大的发光效率。得最大的发光效率。二是二是优化发光体的光谱功率分布，以获得最佳优化发光体的光谱功率分布，以获得最佳的光视效能和显色指数。的光视效能和显色指数。2、白光、

18、白光LED实现实现最佳化涉最佳化涉及两个问及两个问题：题：3、发光体的光谱功率分布优化问题、发光体的光谱功率分布优化问题 全范围普朗克谱，光视效能较低，显色指数为全范围普朗克谱，光视效能较低，显色指数为100；380-780nm波长的修饰普朗克谱，光视效能提高，显色指数为波长的修饰普朗克谱，光视效能提高，显色指数为100; 430-660nm波长的修饰普朗克谱，光视效能进一步提高，显色波长的修饰普朗克谱，光视效能进一步提高，显色指数为指数为95。普遍规律：普遍规律：在一个特定的体系中，光视效能和显色指数是矛盾在一个特定的体系中，光视效能和显色指数是矛盾的，需要寻求这两个性能参数间的折中。的，需

19、要寻求这两个性能参数间的折中。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术二、二基色体系二、二基色体系 根据混色原理，两个互补色混合都能产生白光，但对根据混色原理，两个互补色混合都能产生白光，但对于于459nm459nm的蓝紫光和的蓝紫光和572nm572nm的黄绿光这一对光谱线，混合成的黄绿光这一对光谱线，混合成白光的光视效能最大。白光的光视效能最大。相加混色图三、多基色体系三、多基色体系 在三基色体系中，白光特在三基色体系中，白光特性可以得到改善。已知，使发性可以得到改善。已知，使发光效率和显色指数最高所要求光效率和显色指数最高所要求的白光的功率分布谱含有的白光的功率分布谱含有450nm、5

20、40nm和和610nm三三个峰。与二基色体系比较，在个峰。与二基色体系比较，在同样的显色指数下，三基色体同样的显色指数下，三基色体系发光效率可以提高系发光效率可以提高20%。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第四节第四节 荧光粉转换白光荧光粉转换白光LEDLED一、二基色荧光粉转换白光一、二基色荧光粉转换白光LEDLED 设计二基色白光设计二基色白光LEDLED的直接途径是用发射蓝光的的直接途径是用发射蓝光的AlInGaNAlInGaN芯片芯片和发射黄光的荧光粉。典型的器件结构如下图所示。和发射黄光的荧光粉。典型的器件结构如下图所示。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 蓝光芯片

21、固定在内置的蓝光芯片固定在内置的反射杯中，并涂覆一层环氧反射杯中，并涂覆一层环氧树脂和荧光粉颗粒混合而成树脂和荧光粉颗粒混合而成的转换层。整个结构在透明的转换层。整个结构在透明树脂中，部分蓝光在荧光粉树脂中，部分蓝光在荧光粉层中被吸收并转换为黄光。层中被吸收并转换为黄光。其余的蓝光进入环氧树脂并其余的蓝光进入环氧树脂并与黄光混合成白光。荧光粉与黄光混合成白光。荧光粉的最佳选择为铈掺杂的钇铝的最佳选择为铈掺杂的钇铝石榴石石榴石YAG：Ce3+ 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 选择荧光粉的标准主要有五条：选择荧光粉的标准主要有五条：1、对、对LED发射波长有强烈发射波长有强烈的吸收。的吸

22、收。2、高的量子激发效率。、高的量子激发效率。3、满意的稳定度。、满意的稳定度。4、适当、适当的形貌。的形貌。5、适合的粒度。、适合的粒度。 二、多基色荧光粉转换白光二、多基色荧光粉转换白光LED 三基色荧光粉转换白光三基色荧光粉转换白光LED能改善发光效率和显色性。能改善发光效率和显色性。基色光源（基色光源（450nm/540nm/610nm）的最佳组合也可以用部）的最佳组合也可以用部分被吸收的分被吸收的AlInGaN芯片的蓝光和适当的绿光和橙红光两种芯片的蓝光和适当的绿光和橙红光两种荧光粉来实现。荧光粉来实现。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 三、紫外三、紫外LEDLED激发多基

23、色荧光粉激发多基色荧光粉 多基色白光多基色白光LEDLED的另一种方法是采用紫外的另一种方法是采用紫外LEDLED芯片激发一组荧光芯片激发一组荧光粉。对于紫外激发白光粉。对于紫外激发白光LEDLED来说，光谱的可见部分完全是由荧光粉来说，光谱的可见部分完全是由荧光粉产生的。产生的。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术常用的三种产生白光的方法：常用的三种产生白光的方法： 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 白光LED 各種製造方式之優缺點比較 白光產生方式優點缺點單晶粒藍光LED+YAG單一晶粒產生白光，單一晶粒產生白光，成本低，成本低，電子迴路設計簡單電子迴路設計簡單螢光粉使其發光

24、效率低螢光粉使其發光效率低白色光不夠均勻白色光不夠均勻演色性不佳演色性不佳螢光粉材料不易尋找螢光粉材料不易尋找紫外光LED +螢光材料螢光粉材質容易尋找螢光粉材質容易尋找可使用轉換效率高於可使用轉換效率高於YAG的螢光材料，的螢光材料，發光效率有提高空間發光效率有提高空間演色性佳演色性佳發光效率低發光效率低封裝材料被紫外光照射封裝材料被紫外光照射易產生老化易產生老化限於螢光粉塗佈，使白限於螢光粉塗佈，使白色光不夠均勻色光不夠均勻多晶粒紅、綠、藍三色光組合發光效率較高發光效率較高可動態調整色溫可動態調整色溫 演色性佳演色性佳Color Gamut 範圍大範圍大顏色自然顏色自然三晶粒各別的電子迴路

25、三晶粒各別的電子迴路設計提高成本高設計提高成本高 近距離混色性不佳近距離混色性不佳三原色三原色LED發光效率不發光效率不均均ZnSe藍光LED+ZnSe基板單一晶粒產生成本低單一晶粒產生成本低低驅動電壓低驅動電壓(2.7V)不需使用螢光粉不需使用螢光粉發光效率較發光效率較GaN 系系50%壽命短，僅壽命短，僅8,000小時小時 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第五节第五节 多芯片白光多芯片白光LEDLED 与荧光粉转换白光与荧光粉转换白光LEDLED比较，多芯片白光比较，多芯片白光LEDLED由于不存在由于不存在斯托克位移和荧光粉中无辐射复合引起的能量耗散，斯托克位移和荧光粉中无辐射复

26、合引起的能量耗散，效率应效率应该更高，它也避免了与荧光粉有关的老化问题该更高，它也避免了与荧光粉有关的老化问题。其缺点是器其缺点是器件更复杂，价格可能更高。件更复杂，价格可能更高。 nieieivK1/式中，式中，ei是第是第i个个LED的相对功率分布的相对功率分布) 1(1niei 只要每个只要每个LED的辐射效率的辐射效率ei已知，已知，n 个彩色个彩色LED组成组成的多芯片白光的多芯片白光LED的发光效率就可求出的发光效率就可求出 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 如果芯片的量子效率为如果芯片的量子效率为100%，而且一个芯片的发射谱不被，而且一个芯片的发射谱不被别的芯片吸收，多芯片白光别的芯片吸收，多芯片白光LED发光效率在理论上限就等于光发光效率在理论上限就等于光谱分布的光视效能。谱分布的光视效能。 一、二基色多芯片白光一、二基色多芯片白光LED 二基色多芯片白光二基色多芯片白光LED体系在所有白光固体光源中具有最体系在所有白光固体光源中具有最高的光视效能。假设高的光视效能。假设2个个LED发射宽度为发射宽度为30nm的高斯谱线，所的高斯谱线，所得结果是彩色得结果是彩色LED的平均数值。光谱功率分布已全面优化，使的平均数值。光谱功率分布已全面优化，使特定色温下效率最高。但通用显色指数都在零附近徘徊。虽然特定色温