作者：刘祖明,黎小桃,等
出版社：电子工业出版社
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LED照明设计与应用(第3版)试读：
前言
我国是世界上人口最多的国家，电力资源相当贫乏。近 20 年来，每年的用电量增长率均超过15%，能源危机已十分紧迫。节约资源、减少能耗是关系到当今人类社会可持续发展的重大现实问题，同时节能减排已成为我国各级政府的发展战略。加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要。绿色照明作为节约电能、保护环境的重要措施，是人类现代文明的标志之一。1993年，我国把照明节电提升到资源节约工作的优先位置，大力推广高效照明灯具，建立优质长寿、安全可靠、经济适用、减少环境污染的绿色照明系统。
我国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把可持续发展能力、建设创新型国家作为发展战略，继续为世界经济发展和繁荣做出更大贡献。在全球能源短缺、环保要求不断提高的情况下，2008年北京奥运会和2010年上海世博会都不约而同地以“绿色节能”为主题，这给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。在“零碳照明”与“零碳建筑”的推动下，LED又迎来了新的发展机遇。随着节能环保、低碳社会意识的普及和深入，LED照明技术的应用已活跃于商业、室内、家居、户外、景观照明领域。2016年9月，在我国杭州召开的G20峰会，在照树灯及装饰沿线建筑楼宇的亮化中，又将LED照明提高到新的高度。目前，LED光源也在高科技农场中使用。
从 2014 年起，中国、美国、韩国和澳大利亚等国对白炽灯的限制范围扩大至住室内照明，根据《中国逐步淘汰白炽灯路线图》计划，从2016年10月1日起，将禁止进口和销售15W及以上的白炽灯。欧盟针对白炽灯的使用做出决定，2012年年底彻底禁止出售。目前占照明灯市场销售量70%的卤素灯，欧盟将于2018年起逐步禁止。
自2015年9月1日起，LED模块用直流或交流电子控制装置（LED电源）进行强制性认证（3C认证）。2016年6月国家发展改革委发布了《普通照明用非定向自镇流LED灯能源效率标识实施规则》，10月1日起实施，即2016年10月1日起LED球泡灯必须加贴能源效率标识才能上市销售。
目前，国际社会普遍认为光电技术是21世纪的尖端科技之一。如果对21世纪具有代表意义的主导产业进行排序，第一产业无疑是光电子产业，而LED正是光电子产业中最重要的光电子材料和器件，是整个产业的基础。国际上大功率白光 LED 产业化的光效水平已经达到130lm/W，实验室光效已达231 lm/W；小功率白光LED实验室光效已达249 lm/W。
我国是电子制造业大国，国内的手机、汽车等产业是LED发展的巨大推动力，而且随着国家半导体照明工程的发展，国内LED产业具有广阔的发展前景。半导体照明在我国作为一个重大工程进行推动，我国的科技部也已批准上海、大连、南昌、厦门、深圳5 地作为LED产业化基地。
本书结合作者多年来在LED照明行业工作的经验，综合目前LED照明产业状况及发展趋势，主要介绍 LED 照明领域的室内照明产品（商业与家居照明），以 LED 照明灯具的应用与设计及LED调光为重点，着重介绍了室内照明及商业照明LED灯具，如LED日光灯、LED射灯、LED台灯、LED吸顶灯、LED球泡灯、LED轨道灯、LED玉米灯等的设计与应用。同时，还介绍了调光类灯具及控制系统，如LED台灯，并结合当前LED发展技术，介绍了户外照明灯具，如LED路灯（风光互补LED路灯及太阳能LED路灯）、LED投光灯、LED隧道灯，以及LED景观照明灯具和LED广告灯具等的设计与应用，结合目前的销售环境，对一些相关的认证及检测要求进行了简单介绍。
本书列出了部分LED照明灯具组装及设计的案例，有的案例还提供了组装流程的图片或流程图、检验要求。结合电路及灯具设计要求，同时也介绍了部分LED驱动器电路或设计灯具控制电路或原理图，读者完全可根据书中给出的电路原理图或结合具体的使用条件进行设计，收到举一反三的效果，在设计时根据合适的条件设计出性价比最优的产品。
笔者长期从事LED照明技术的研究和开发工作，积累了丰富的实践经验，并且编写了数本关于 LED 照明方面的图书，在业界产生了一定的影响。特别是笔者在前几年出版的《LED 照明设计与应用（第2版）》一书，深受读者的关注，很多读者发来邮件或打来电话与笔者交流LED技术，并提出了宝贵的意见。笔者经过这两年的考虑，在吸取读者意见的基础上，并结合这几年LED发展的新技术，决定对《LED照明设计与应用（第2版）》一书进行修订，增加了切合当前实际的LED照明设计实例与新技术，使本书内容更加全面和实用。
本书由刘祖明、黎小桃、陈丽编著。全书共分10章，其中黎小桃编写了第1～4章，陈丽编写了第5～7章，刘祖明编写了第8～10章、附录。刘祖明负责全书的统稿工作。参加本书编写的还有刘文沁、钟柳青、钟勇、张安若、祝建孙、刘国柱、刘艳生、刘艳明和邱寿华。在此，对以上人员致以诚挚的谢意。
本书在写作过程中参考了大量书籍，也引用了互联网上的资料，在此向这些书籍和资料的原作者表示衷心的感谢；同时在资料收集和技术交流方面都得到了国内外专业学者和同行的支持，在此也向他们表示衷心的感谢。有些引用资料的出处，基于各种原因可能未能出现在参考文献中，在此表示歉意与感谢！
本书的所有实例都经过编著者的实际应用，但由于LED照明设计涉及面广，实用性强，加之编著时间仓促，以及作者水平有限，书中存在不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正。同时感谢读者选择了本书，希望我们的努力能对您的工作和学习有所帮助，也希望广大读者不吝赐教，以便我们在再版时做到精益求精。
编著者第1章 LED基础知识
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）照明的作用不仅在于带动 LED 照明产业的快速成长，更重要的是起到了节能减排的表率作用。LED 照明在奥运场馆、城市景观照明上的出色表现，将会促进其他领域对LED照明的使用。随着LED产品技术的逐步成熟以及产品价格的逐步下降，LED产品开始大量应用于项目工程中，LED照明的应用呈现出爆炸式的发展。我国 LED 照明产业已迎来新的发展高峰。在全球能源短缺、环保要求不断提高的情况下，2008 年北京奥运会和 2010 年上海世博会都不约而同地以“绿色节能”为主题；2016年杭州G20峰会的LED灯光，给G20峰会文艺晚会增色不少，这给我国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。
本章主要介绍LED的发光原理、分类、制作的工艺流程、发展趋势及应用等基础知识。1.1 LED的基本概念
不同材料制成的 LED 能发出不同颜色的光。由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）的化合物制成的LED中，有发红光的磷砷化镓（GaAsP）LED，有发绿光的磷化镓（GaP）LED，有发黄光的碳化硅（SiC）LED。当其电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而利用这个特性来制成LED，LED在电路及仪器中常常作为指示灯，或者组成矩阵显示文字或数字。
LED 是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。LED 与普通二极管一样都是由一个 PN 结组成的，同时具有单向导电性。当给 LED 加上正向偏置电压后，从 P 区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，电子和空穴复合时释放出的能量多少不同。释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。当它处于正向工作状态（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。1.1.1 LED的基本结构与发光原理
1.LED的基本工作原理
LED 是一种直接注入电流的发光器件，是半导体晶体内部受激电子从高能级回到低能级时，发射出光子的结果，这就是通常所说的自发发射跃迁。当 LED 的 PN 结加上正向偏置电压时，注入的少数载流子和多数载流子（电子和空穴）复合而发光。值得注意的是，大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列列的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播，这个过程称为自发发射。
2.LED的基本结构
LED 由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂 5 种物料所组成。直插式 LED （DIP LED）和大功率LED的基本结构如图1-1所示。直插式LED芯片被固定在导电、导热的带两根引线的金属支架上，有反射杯（或反光碗）的引线为阴极，另外一根引线为阳极。芯片外围封以环氧树脂（帽），一方面可以保护芯片，另一方面起（透镜）聚光作用。LED 的两根引脚不一样长时，其中较长的一根为阳极。如果 LED 的两根引脚一样长，则通常在管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引脚是阳极。图1-1 直插式LED和大功率LED的基本结构
LED 芯片及封装向大功率方向发展，发光效率提升与器件成本降低并重是 LED 核心技术发展的趋势。LED 器件效率已达 150lm/W，目前 LED 的大功率、集成化是 LED 芯片和光源发展的一种趋势。目前主要有三种芯片级模组，即正装芯片模组、垂直芯片模组、倒装芯片模组。芯片模组光源的发展趋势是高亮度 LED 芯片、集成度更高的光源，在商业照明、道路照明、室内照明等领域，集成的LED光源有很大的应用市场。功率型LED的热特性直接影响到 LED 的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型 LED芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。
LED芯片是LED器件的核心，其结构如图1-2所示。LED芯片为分层结构，芯片两端是金属电极；底部为衬底材料；当中是由 P 型层和 N 型层构成的 PN 结；发光层被夹在 P型层和N型层之间，是发光的核心区域。P型层、N型层和发光层是利用特殊的外延生长工艺在衬底材料上制得的。在芯片工作时，P 型层和 N 型层分别提供发光所需要的空穴和电子，它们被注入到发光层发生复合而产生光。LED的封装示意图如图1-3所示。而实际中的芯片结构比其要复杂得多。LED芯片制作技术是21世纪的高新技术之一。图1-2 LED结构图图1-3 LED的封装示意图
LED 的图形符号如图 1-4 所示，其文字符号用字母 V 或多字母 V表示。低压直流供电（如干电池）的简单工作电路如图1-5所L（E）示。LED工作在正向电压偏置时，其发光亮度随正向电流 I 的增大F而增强。为限制其工作电流，电路中通常需要串联一个限流电阻（也称镇流电阻）R。普通小功率 LED 工作时的正向电压降 V为 1.5～F3V，工作电流 I为 5～20mA。而白光 LED 的正向电压降范围通常F为 2.8～3.6V（常规电压为 2.8～3.2V），大功率白光LED的工作电流有350mA、700mA、1050mA三种，功率分别为1W、2W、3W，如图1-6所示。中功率白光LED的工作电流有60mA、150mA，功率分别为0.2W、0.5W。全光谱照植物生长灯珠SMD LED5730，功率为0.5W，波长380～850nm。图1-4 LED的图形符号图1-5 低压直流供电工作电路图1-6 大功率白光LED（流明型）
说明
大功率 LED 封装类型种类多，读者可以根据设计要求选择合适的封装，常用的封装为流明型与科锐公司的封装。
3.LED发光原理
LED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PN结。LED的核心是PN结。因此它具有一般PN结的单向导电特性，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。在正向偏置电压下，电子由 N区注入P区，空穴由P 区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1-7所示。图1-7 LED的发光原理
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、价带中间附近）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，所以仅在靠近PN结面数微米以内产生光。
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E有关，即g
式中，E的单位为电子伏特（eV）。g
若能产生可见光，则其波长为 380（紫光）～780nm（红光）。半导体材料的 E 应为3.26～1.63eV。比红光波长长的光为红外光。g现在已有红外、紫外、红、黄、绿及蓝光LED，紫外 LED 分为近紫外 LED（波长大于 380nm）与深紫外 LED（波长小于 300nm），深紫外光源主要应用于照明、杀菌、医疗、印刷、生化检测、高密度的信息储存和保密通信等领域。1.1.2 LED的特点
LED作为一种出现时间最晚的照明技术，自20世纪60年代诞生以来，得到了长足的发展和应用。而相对于白炽灯、荧光灯等老一代发光设备，LED 的特点主要体现在以下几个方面。
☺ 电压。LED 使用低压电源，供电电压为 DC 6～24V，根据产品不同而异，所以它的使用更安全，特别适用于公共场所。
☺ 效能。消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
☺ 适用性。LED尺寸很小，每个单元LED小片是3～5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
☺ 稳定性。工作10万小时，光衰为初始的50%。
☺ 响应时间。白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
☺ 对环境污染。无有害金属水银（汞）。
☺ 颜色。LED 方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和禁带宽度可实现红、黄、绿、蓝、橙多色发光。红光管工作电压较小，颜色不同的红、橙、黄、绿、蓝的LED工作电压依次升高。
☺ 价格。LED的价格现在越来越平民化，因LED省电的特性，推测也许不久的将来，人们都会把白炽灯换成 LED 灯。现在，我国部分城市的公路、学校、厂区等场所已换装万盏LED路灯、LED日光灯等。
☺ 抗震性能好。LED是一种电致发光光源，其结构特性决定了震动对其影响较小。
1.单色光LED的种类及其发展历史
LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λ=650nm），在驱动电流为20mA时，光通量只有千分之几个p流明（lm），相应的发光效率约为0.1lm/W。
70年代中期，引入元素In和N，使LED可产生绿光（λ=555nm）、p黄光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1lm/W。pp
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。
90 年代初，发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿、蓝光的 GaInN 两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λ=615nm）的光效达到 100lm/W，而p后者制成的 LED 在绿色区域（λ=530nm）的光效可以达到50lm/W。p现在的 LED 已能发出红色、黄色、蓝色、绿色、橙色、琥珀色、蓝绿双色、红绿双色、黄绿色、纯绿色、翠绿色、白色等各种光束。
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998 年发白光的 LED 开发成功。这种LED 是将 GaN 芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成的。GaN 芯片发蓝光（λ=465nm，W=30nm），高温烧pd3+结制成的含 Ce的 YAG 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，峰值 550nm。蓝光 LED 基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有 YAG 的树脂薄层，厚200～500nm。LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光。现在，对于 InGaN/YAG 白色 LED，通过改变 YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温2700～10000K的各色白光。
半导体材料的发光机理决定了单一 LED 芯片不能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成白光。目前产生白光的方式有两种：一种是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光，即单芯片型；另一种是将几种发不同色光的芯片封装在一起，构成发白光的LED，即多芯片型。白光LED类型及其原理见表1-1。表1-1 白光LED类型及其原理
单芯片型结构又可分为3种。
☺ 将蓝色LED InGaN芯片与钇铝石榴石（YAG）荧光粉组合成二基色白光LED，或由InGaN（蓝光峰值430nm或470nm）与红色（650nm）和绿色（540nm）荧光粉组成三基色白光LED。
☺ 利用蓝色ZnSe为基体制成芯片与衬基发出的黄光复合成白光。
☺ 用InGaN LED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。
2.单色光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。LED 的应用领域非常广，包括通信、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。
1）LED 背光源部分 主要是手机背光光源方面，是 SMD 型产品应用的最大市场。LED 作为背光源已普遍运用于手机、电视、计算机、手持/掌上电子产品及汽车、飞机仪表盘等众多领域。LED 为液晶电视的背光源，在色彩饱和度上取得足够宽的色域，达到甚至超过Adobe RGB和NTSC色彩标准要求。
2）照明部分 LED 照明已逐渐发展至商品化的初步阶段，但在使用寿命及价格上仍有改进空间。LED 照明应用包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。
3）电子设备部分 LED 以其功耗低、体积小、寿命长的特点，已成为各种电子设备指示灯的首选，目前几乎所有的电子设备都有LED的身影。
4）LED显示屏 LED显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高等优势，已广泛应用于各行各业。有条幅单双色显示屏、广场楼体表面的全彩显示屏等，适用于休闲广场、繁华商贸中心、广告信息发布牌、商业街、火车站、体育场馆等。
5）汽车部分 主要包括仪表板、音箱等的指示灯，以及汽车外部的第三制动灯、左右尾灯、方向灯等。若再加上前后车灯、制动灯，交通标志灯等，与交通相关的 LED 的市场商机非常庞大。
6）特殊工作照明和军事运用 由于 LED 光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。
7）其他应用 LED 还可用于玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品之中，我国作为全球轻工产品的重要生产基地，对LED有着巨大的市场需求。1.2 LED芯片的类型
1.LED芯片介绍
LED芯片称为LED发光芯片，是LED灯的核心组件，即PN结。其功能是将电能转化为光，芯片的主要材料为单晶硅。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（Sr）这几种元素中的若干种组成。
1）芯片按发光亮度分类
☺ 一般亮度：R（红色 GaAsP，655nm）、HR（高红 GaP，697nm）、G（绿色 GaP，565nm）、Y（黄色GaAsP/GaP，585nm）、E（橘色GaAsP/GaP，635nm）等。
☺ 高亮度：VG（较亮绿色 GaP，565nm）、VY（较亮黄色 GaAsP/GaP，585nm）、SR （较亮红色GaA/AS，660nm）。
☺ 超高亮度：UG、UY、UR、UYS、URF、UE等。
2）芯片按组成元素分类
☺ 二元芯片（磷、镓）：H、G等。
☺ 三元芯片（磷、镓、砷）：SR （较亮红色 GaA/AS，660nm）、HR （超亮红色GaAlAs，660nm）、UR（最亮红色GaAlAs，660nm）等。
☺ 四元芯片（磷、铝、镓、铟）：SRF （较亮红色 AlGaInP）、HRF （超亮红色AlGaInP）、URF （最亮红色 AlGaInP，630nm）、VY （较亮黄色 GaAsP/GaP，585nm）、HY（超亮黄色 AlGaInP，595nm）、UY（最亮黄色 AlGaInP，595nm）、UYS（最亮黄色 AlGaInP，587nm）、UE（最亮橘色 AlGaInP，620nm）、HE（超亮橘色AlGaInP，620nm）、UG（最亮绿色 AIGaInP，574nm）LED等。
3）按照制作工艺分类
☺ MB（Metal Bonding）芯片：金属粘着芯片，属于 UEC 的专利产品。其特点如下所述。
采用高散热系数的材料：Si作为衬底，散热容易。
通过金属层来接合（Wafer Bonding）外延芯层和衬底，同时反射光子，避免衬底的吸收。
导电的 Si 衬底取代 GaAs 衬底，具备良好的热传导能力（二者的导热系数相差3～4倍），更适应于高驱动电流领域。
底部金属反射层有利于光度的提升及散热。
尺寸可加大，应用于大功率领域。
☺ GB（Glue Bonding）芯片：粘着结合芯片，属于UEC的专利产品。其特点如下所述。
透明的蓝宝石衬底取代吸光的 GaAs 衬底，其出光功率是传统 AS（Absorbable Structure）芯片的2倍以上，蓝宝石衬底类似TS芯片的GaP衬底。
芯片四面发光，具有出色的花样图。
亮度方面，其整体亮度已超过TS芯片的水平（8.6mil）。
双电极结构，其耐高电流方面要稍差于TS单电极芯片。
☺ TS（Transparent Structure）芯片：透明衬底芯片，属于HP的专利产品。其特点如下所述。
芯片工艺制作复杂，远高于AS LED。
信赖性卓越。
透明的GaP衬底，不吸收光，亮度高。
应用广泛。
☺ AS（Absorbable Structure）芯片：吸收衬底芯片，这里特指 UEC 的 AS 芯片。其特点如下所述。
四元芯片，采用MOVPE工艺制备，亮度相对于常规芯片要亮。
信赖性优良。
应用广泛。
4）LED芯片构成材料及制造方法 见表1-2。表1-2 LED芯片构成材料及制造方法
说明
所谓“外延生长”，就是在高真空条件下，采用分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）、金属有机化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor DePosition，MOCVD）等方法，在晶体衬底上，按照某一特定晶面生长的单晶薄膜的制备过程。半导体外延生长主要采用MBE和MOCVD工艺。MOCVD是在LED外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。
5）生产芯片技术 见表1-3。表1-3 生产芯片技术
说明
目前市面上一般有 3 种材料可作为衬底，即蓝宝石（AlO ）、23硅（Si）、碳化硅（SiC），除了以上3种常用的衬底材料之外，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。
美国科锐公司专门采用SiC材料作为衬底。衬底材料对比如表1-4所示。表1-4 衬底材料对比
目前，全球 LED 产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。美国科锐、飞利浦流明，日本日亚化工（Nichia）、丰田合成（Toyoda Gosei），德国欧司朗（Osram）等公司垄断了LED高端产品市场。MOVCD设备的主要生产厂商为美国Veeco公司和德国Aixtron公司两家。
2.LED的分类
1）按 LED 发光颜色分类 可分成红色、橙色、绿色（又细分为黄绿、标准绿和纯绿）、蓝色等。另外，有的 LED 中包含两种或 3 种颜色的芯片。LED 还可分为普通单色、高亮度、超高亮度、变色、闪烁、电压控制型、红外等LED。
根据LED发光处掺或不掺散射剂、有色或无色，上述各种颜色的LED还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射4种类型。散射型LED用作指示灯。
2）按发光管出光面特征分 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φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm 及φ20mm 等。国外通常把φ3mm的LED记作T-1，把φ5mm的记作T-1（3/4），把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角的分布情况。从发光强度角分布图来分有3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，可用作局部照明光源，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
☺ 标准型：通常用作指示灯，其半值角为20°～45°。
☺ 散射型：视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。
3）按 LED 的结构分 有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
4）按发光强度和工作电流分 有普通亮度的 LED（发光强度＜10mcd）、超高亮度的 LED （发光强度＞100mcd）和高亮度LED（TOP LED，目前常用），其发光强度在10～100mcd。
一般 LED 的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下（其亮度与普通发光管相同）。
除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。1.3 LED光参数定义及其详解1.3.1 可见光谱
光是一定波长范围内的一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很广，-14-15最短的如宇宙射线，其波长只有 10～10m，最长的如无线电波，其波长可达数千千米。在电磁辐射范围内，只有波长为 380～780nm 的电磁辐射能够引起人的视觉，这段波长叫作可见光谱，如图1-8所示。电磁波谱波长区域如表1-5所示。图1-8 电磁辐射波谱表1-5 电磁波谱波长区域
图1-8中所标数值均以基本单位表示，即频率的单位为赫兹（Hz），波长的单位为米（m）。由于使用上述单位时波长的数值太大，有必要使用更小的单位来度量可见光谱的波长，由此采用了标准毫微-9米（又称纳米，符号为 nm），1nm=10m。人眼能起视觉反应的最长和最短波长分别为780nm和380nm，它们分别处在光谱的红色端与紫色端。
在光度学中对于“光”的定义，是相对于可见光而言的，它所具有的波长范围为 380～780nm。表1-6列出了不同色觉的波长范围。所以，LED光的颜色与进入人眼的光辐射的相对光谱能量分布有关，当进入到眼睛的光谱辐射波长发生改变或者它们的相对光谱能量分布发生改变时，人眼对光的颜色感受也随着发生变化。普通单色 LED 的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造LED所用的半导体材料。表1-6 各种颜色光线的波长1.3.2 LED发光器件光度学参数的测量
1.LED光学参数介绍
LED的光学参数中重要的几个是光通量、发光效率、发光强度、光强分布曲线和波长。
1）发光效率和光通量 发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。光通量是指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。
2）发光强度和光强分布曲线 LED 发光强度表征它在某个方向上的发光强弱。发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr（瓦特/球面度），则其发光强度为 1cd（坎德拉）。发光强度常用 mcd 作为单位。光强分布曲线是指LED光源的配光曲线，说明光源本身的发光特性和不同发光角的光强大小分布。
3）波长 波长是指不同颜色 LED 发出光波的波长。对于 LED 的光谱特性我们主要看其单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。
2.光度学与辐射度学参数
1）光通量Φ（Luminous Flux） 通过 LED 的正向电流为规定值v时，器件光学窗口发射的光通量。
2）发光强度 I（Luminous Intensity） 光源在单位立体角内发射v的光通量，可表示为I=dΦ/dΩ。v
3）相对光谱能量（功率）分布 P（λ）（Relative Spectral Distributions） 在光辐射波长范围内，各个波长的辐射能量分布情况。
4）峰值发射波长λ（Peak-emission Wavelength） 光谱辐射功p率最大的值所对应的波长。
5）光谱半波宽Δλ（Full Width Half Maximum，FWHM） 峰值发射波长辐射功率的1/2所对应两波长的间隔。1.3.3 LED光通量
光通量指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。
在辐射度学上，LED辐射通量Φ用来衡量LED在单位时间内发射E的总的电磁功率，单位是瓦（W）。它通常表示 LED 在空间 4π范围内，每秒钟所发出的功率。LED 光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量Φ，单位是流明（lm），与辐射通量的概v念类似，它是 LED 光源向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。但要考虑人眼对不同波长的可见光的光感觉是不同的，国际照明委员会（CIE）为人眼对不同波长单色光的灵敏度做了2总结，在明视觉条件（亮度为 3cd/m以上）下，归结出人眼标准光度观测者光谱光效率函数 V（λ），它在 555nm 上有最大值，此时 1W 辐射通量等于 683lm，如图1-9所示，其中V′（λ）为暗视觉条件2（亮度为0.001cd/m以下）下的光谱光视效率。图1-9 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数
明视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为
暗视觉条件下，辐射量向光通量的转化表达式可以表示为
通常的测量以明视觉条件作为测量条件，并且在对 LED 进行测量时，为了得到准确的测量结果，必须把 LED 发射的光辐射功率收集起来，并用合适的探测器（应具有 CIE 标准光度观测者光谱光效率函数的光谱响应）将它线性地转换成光电流，再通过定标确定被测量的大小。1.3.4 LED发光强度
发光强度简称光强，国际单位是 candela（坎德拉），简写为 cd，12其他单位有烛光、支光。1cd 是指单色光源（频率 540×10Hz，波长 0.550μm）的光，在给定方向上（该方向上的辐射强度为（1/683）W/sr）的单位立体角内发出的发光强度（球面度是一个立体角，其定点位于球心，而在球面上所截取的面积等于以球的半径为边长的正方形面积）。光源辐射均匀时，则光强为 I=F/Ω，其中Ω为立体角，单位为 sr（球面度）；F 为光通量，单位是lm。对于点光源，I=F/4。
发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。
发光强度是表明发光体在空间辐射的汇聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多亮。图1-10 点光源的发光强度
发光强度的概念要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小，表示为 I=dΦ/dΩ，Vv式中 dΩ是点光源在某一方向上所张的立体角，如图1-10所示。
但是在 LED 测量的许多实际应用场合中，往往是测量距离不够长，光源的尺寸相对太大，或者是 LED 与探测器表面构成的立体角太大。在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，从而严格地说并不能测量得到真正的LED的发光强度。
为了解决这个问题，使测量结果可通用比较，CIE 推荐使用“平均发光强度”的概念：照射在离LED一定距离处的光探测器上的光通量Φ与由探测器构成的立体角的比值。其中立体角可将探测器的面V积S除以测量距离d的平方计算得到，因而有如下表达式：
从物理上看，这里的平均发光强度的概念，不再与发光强度的概念关联得那么紧密，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。CIE 关于近场条件下的 LED 测量，有两个推荐的标准条件：CIE 标准条件 A 和 CIE 标准条件 B（见表 1-7）。这两个条件都要求2所用的探测器有一个面积为1cm（相应直径为11.3mm）的圆入射孔径。表1-7 CIE推荐的近场标准条件1.3.5 LED相对光谱能量分布P（λ）
LED的相对光谱能量分布P（λ）表示在LED的光辐射波长范围内，各个波长的辐射能量的分布情况，通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示。
一般而言，LED 发出的光辐射往往由许多不同波长的光所组成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同。LED 辐射能量随着波长变化而不同，因此可绘成一条分布曲线——相对光谱能量分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数也随之而定。LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及 PN 结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。图 1-11 绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得的LED光谱响应曲线。图1-11 LED光谱响应曲线1.3.6 LED的峰值波长λ和光谱半波宽Δλp
LED 相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长λ和光谱半波p宽Δλ这两个参数表示。无论什么材料制成的 LED，都有一个相对光辐射最强处，与之相对应有一个波长，此波长为峰值波长，它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定。光谱半波宽Δλ定义为相对光谱能量分布曲线上，两个半极大值强度处对应的波长差，如图 1-12 所示。它在标志着光谱纯度的同时，也可以用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散度，LED 的发光光谱的半波宽一般为30～100nm，光谱宽度窄意味着单色性好，发光颜色鲜明，清晰可见。图1-12 光谱半波宽Δλ1.4 LED外延片简介
外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和 SiC、Si）上，气态物质 In、Ga、Al、P 有控制地输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用金属有机物化学气相沉积方法。
LED 外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的 LED 外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。
LED外延片衬底材料选择原则如下。
☺ 结构特性好：外延材料与衬底的晶体结构相同或相近，晶格常数失配度小，结晶性能好，缺陷密度小。
☺ 界面特性好：有利于外延材料成核且黏附性强。
☺ 化学稳定性好：在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀。
☺ 热学性能好：包括导热性好和热失配度小。
☺ 导电性好：能制成上下结构。
☺ 光学性能好：制作的器件所发出的光被衬底吸收少。
☺ 机械性能好：器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等。
☺ 价格低廉。
☺ 大尺寸：一般要求直径不小于2英寸。
☺ 容易得到规则形状衬底（除非有其他特殊要求），只有与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流，以至于影响外延质量。
☺ 在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。
衬底的选择要同时满足以上 11 个方面是非常困难的。所以，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。
1.红黄光LED
红黄光LED以GaP（二元系）、AlGaAs（三元系）和AlGaInP（四元系）为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还有蓝宝石AlO和硅衬底。23
1）GaAs 衬底 在使用 LPE 生长红光 LED 时，一般使用 AlGaAs 外延层；而使用MOCVD 生长红黄光 LED 时，一般生长 AlGaInP 外延结构。外延层生长在 GaAs 衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，其缺点是吸收光子，所以通常使用布拉格反射镜或晶片键合技术。
2）GaP衬底 在使用LPE生长红黄光LED时，一般使用GaP外延层，其波长范围较宽（565～700nm）；使用 VPE 生长红黄光 LED 时，生长 GaAsP 外延层，波长在 630～650nm 之间；而使用 MOCVD 时，一般生长 AlGaInP 外延结构，这个结构很好地解决了GaAs衬底吸光的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，但缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和AlGaInP结构。另外，GaP基的III-N-V结构不但可以改变带宽，还可以在只加入 0.5%氮的情况下，带隙的变化从间接到直接，并在红光区域具有很强的发光效应（650nm）。采用这样的结构制造 LED，可以由 GaNP 晶格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和晶片键合透明衬底的复杂工艺。
2.蓝绿光LED
用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有两种，即蓝宝石（AlO）和碳化硅（SiC）衬底。23
1）氮化镓衬底 用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延片膜的晶体品质，降低位元错密度，延长器件工作寿命，提高发光效率及器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过 HVPE 方法在其他衬底（如 Al2O3、SiC、LGO）上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。氮化镓厚膜的优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位元错密度，比在 Al2O3、SiC 上外延的氮化镓薄膜的位元错密度明显要低，但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。
2）蓝宝石衬底 目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是 Al2O3，其优点是化学稳定性好，不吸收可见光，价格适中，制造技术相对成熟。但其导热性差，在功率型器件大电流工作时不宜采用。
说明
图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS），在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩模，用标准的光刻工艺将掩模刻出图形。PSS 衬底上生长的 LED 亮度比传统 LED大大提高，其反向漏电流减小，LED寿命延长，价格比普通蓝宝石衬底高。
3）SiC衬底 除AlO衬底外，目前用于氮化镓生长的衬底就是23SiC，市场占有率位居第二。SiC 有许多突出的优点，如化学稳定性好，导电性能好，导热性能好，不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高，晶体品质难以达到 AlO和 Si 的水平，机械加工23性能比较差。另外，SiC 衬底吸收 380nm 以下的紫外光，不适合用来研发 380nm 以下的紫外 LED。由于 SiC 衬底优异的导电性能和导热性能，不需要像 AlO衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技23术解决散热问题，而是采用上下电极结构。
4）Si 衬底 在硅衬底上制备发光二极体是本领域中梦寐以求的一件事情，因为外延片生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si 片作为 GaN 材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，具有良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级品质的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。
5）ZnO 衬底 ZnO 可作为 GaN 外延片的候选衬底，因为它们两者具有惊人的相似之处。ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。ZnO 本身是一种有潜力的发光材料。ZnO 的禁带宽度为 3.37eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在 380nm 附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体雷射器的候选材料。ZnO 材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。
6）ZnSe衬底 有人使用MBE在ZnSe衬底上生长ZnCdSe/ZnSe等材料，用于蓝光和绿光 LED 器件。但是其并没有推广，因为发光效率较低，而且由于自补偿效应的影响，使得其性能不稳定，器件寿命较短。
3.LED外延片生产商简介
1）日亚化工（http：//www.nichia.co.jp） 日本日亚化工（Nichia Corporation）是 GaN 系的开拓者，在LED和激光领域居世界首位，在蓝色、白色LED市场遥遥领先于其他同类企业。它以蓝色 LED 的开发而闻名于全球，与此同时，它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。其荧光粉生产在日本国内市场占据 70%的比例，在全球则占据 36%的市场份额。荧光粉除了灯具专用的以外，还有 CRT 专用、PDP 专用、X 光专用等类型，这成为日亚化工扩大 LED 事业的坚实基础。除此以外，日亚化工还生产磁性材料、电池材料及薄膜材料等精细化工制品，广泛地涉足于光的各个领域。
在该公司LED的生产当中，70%是白色LED，主要有单色芯片型和RGB三色型两大类型。此外，该公司是世界上唯一一家可以同时量产蓝色 LED 和紫外线 LED 两种产品的厂商。以此为基础，日亚化工不断开发新产品，特别是在SMD（表面封装）型的高能LED方面，新品层出不穷。
目前日亚化工上市了发光中心波长从 365～385nm 不等的紫外 LED 品种，主要应用在生物医疗、防伪鉴定、净化（水、空气等）领域、计算机数据存储和军事等。
2）丰田合成（http：//www.toyoda-gosei.com） 1986 年，受名誉教授赤崎先生的委托，丰田合成（Toyoda Gosei）利用自身在汽车零部件薄膜技术方面的积累，开始展开LED方面的研发工作。1987 年，受科学技术振兴事业团的开发委托，丰田合成成功地在蓝宝石上形成了LED电极。因此，把丰田合成誉为“蓝色LED的先锋”并不为过。
为了攻夺日亚化工占据手机背光市场 90%的市场份额，丰田合成意图提高白色 LED 的光亮度，于2004年秋季开发出光亮度为1000mcd级的白色LED“TG WHITE Ⅱ”，这比原来的600～700mcd亮了很多。紧接着，丰田合成又开始开发1300mcd的白色LED。
此外，汽车导航系统和计算机专用液晶控制器、TV 专用大型液晶的背光等也是丰田合成的目标市场。照明应用方面的设计开发也正在紧锣密鼓地进行着。
3）飞利浦流明（http：//www.philipslumileds.com） 飞利浦照明（Philips Lumileds）是世界著名的 LED 生产商，在包括自动照明、计算机显示、液晶电视、信号灯及通用照明在内的固态照明应用领域中居领先地位。获得专利的 Luxeon 是首次将传统照明与具有小针脚、长寿命等优点的 LED 相结合的高功率发光材料。它也提供核心 LED 材料和 LED 封装产品，每年 LED 的产品达数十亿只，是世界上最亮的红光、琥珀光、蓝光、绿光和白光LED 生产商。公司总部在加利福尼亚州的圣何塞，在荷兰、日本和马来西亚有分支机构，并且拥有遍及全球各地的销售网络。
4）Lumination（http：//www.lumination.com） GELcore是GE照明与EMCORE公司的合资公司，创建于 1999 年 1 月，总部位于美国新泽西州。公司致力于高亮度 LED 产品的研发和生产。通过把GE先进的照明技术、品牌优势和全球渠道与EMCORE权威的半导体技术相结合，GELcore已经在转变人们对照明的认识过程中扮演了重要的角色。GELcore现有的产品包括大功率 LED 交通信号灯、大型景观灯及其他建筑、消费和特殊照明应用等。通过把电子、光学、机械和热能管理等各个领域的技术相结合，GELcore 加快了 LED 技术的应用并创造了世界级的LED系统。另外，GELcore还利用独特的客户管理系统来与那些LED专家和产品应用客户保持长期的友好关系。
2007年2月7日，GELcore更名为Lumination。GE在2006年8月末以现金1亿美元购买Emcore所持的GELcore股份，将GELcore变为其全资子公司，从那时起，GELcore一直努力表现得与以往不同，并与日亚化工形成战略联盟。为进一步表明公司对通用 LED 照明的倚重，GELcore将名字改为Lumination。
5）大洋日酸（http：//stableisotope.sanso.co.jp） 大洋日酸公司（Taiyo Nippon Sanso）的有机金属气相化学沉积技术的研究和开发可以追溯到 1983 年，在日本当时整个化合物半导体工业革命的大背景之下产生。大洋日酸研发了一系列高纯度气体，如 AsH、PH和 33NH的专业应用技术，以及用于生产 LD 和 LED 产品的 MOVPE 设备。3大洋日酸还开发了用于吸收这些应用产生的大量废气的净化系统，并使之商品化。到目前为止，大洋日酸已经为从研发机构到生产厂商等有着不同需求的客户提供了超过 450 台的 MOCVD 设备。其中大洋日酸的GaN-MOCVD SR系列，包括SR-2000和SR-6000是专门为蓝色镓氮LED、半导体激光和电子设备的研究和生产而设计的。
6）科锐（http：//www.cree.com/cn/） 科锐（Cree）公司建于 1987 年，位于美国加利福尼亚州，研制开发并生产基于碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、硅（Si）和相关化合物的材料与设备。其产品包括绿光、蓝光和紫外光 LED，近紫外激光、射频和微波半导体设备，电源转换设备和半导体集成芯片。这些产品的目标应用包括固态照明、光学存储、无线基础和电路转换等。公司的大部分利润来自于 LED 产品和 SiC、GaN 材料的生产，产品销往北美、欧洲和亚洲。
目前科锐的460nm LED的外部量子效率为47%，白色发光效率为100lm/W。
7）欧司朗（http：//www.osram-os.com） 欧司朗（Osram）是全世界最大的两个照明生厂商之一，建于1919年，总部位于慕尼黑。Osram商标早在1906年注册，到目前为止是世界公认的历史最悠久的商标名称之一。Osram 已经从一个传统的灯泡厂商发展成为一个照明领域的高科技公司。
8）首尔半导体（http：//www.acriche.com） 首尔半导体是韩国最大的 LED 环保照明技术生产商，并且是全球八大生产商之一。首尔半导体的主要业务是生产全线 LED 组装及定制模块产品，包括采用交流电驱动的半导体光源产品，如Acriche、侧光LED、顶光LED、切片LED、插件LED及食人鱼（超强光）LED等。其产品已广泛应用于一般照明、显示屏照明、移动电话背光源、电视、手提电脑、汽车照明、家居用品及交通信号等。
说明
中国台湾地区有华上、新世纪、光磊、晶元、广稼、璨圆等生产商。
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