ＬＥＤ利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓時，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，釋放出過剩的能量引起光子發(fā)射而產(chǎn)生可見光。近年來，ＬＥＤ得到了快速發(fā)展，部分產(chǎn)品已進(jìn)入了商用階段，為室內(nèi)外照明光源帶來革命性變化。
２０世紀(jì)６０年代初，人們就已經(jīng)掌握了半導(dǎo)體材料可以產(chǎn)生光線的方法：加正向偏壓的砷化鎵面結(jié)型二極管可作為輻射光源。１９６４年，利用ＧａＡｓＰ材料，研制出紅色發(fā)光二極管（λｐ＝６５０ｎ ｍ），光效為０．１ｌｍ/Ｗ，在驅(qū)動電流為２０ｍＡ?xí)r，光通量只有千分之幾流明。
到了上世紀(jì)70年代，研制出綠光（λｐ＝５５０ｎｍ）、黃光（λｐ＝５９０ｎｍ）和橙光（λｐ＝６１０ｎｍ）的ＬＥＤ，光效達(dá)到１ｌｍ/Ｗ。單色ＬＥＤ的蓬勃發(fā)展，使它在大屏幕顯示、交通信號燈、儀表儀器顯示等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但遺憾的是實(shí)現(xiàn)全色顯示的藍(lán)光還未突破。
１９９４年，開發(fā)出氮化鎵基藍(lán)色和綠色發(fā)光二極管，根據(jù)三基色合成原理，使全色顯示和半導(dǎo)體照明成為可能。對于一般照明而言，人們更需要白色光源。１９９６年，日本日亞公司率先開發(fā)出白色發(fā)光二極管，為ＬＥＤ廣泛進(jìn)入照明領(lǐng)域帶來了無限希望，成為ＬＥＤ照明發(fā)展史上的一個里程碑。
經(jīng)過近幾年的發(fā)展，彩色ＬＥＤ的光效等性能已經(jīng)得到進(jìn)一步的提高，使得其在裝飾照明等領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。幾種彩色LED的主要特性如表1所示。
目前，白光ＬＥＤ的光效還不高，但發(fā)展很快。據(jù)相關(guān)資料介紹：１９９９年日本研制出光效達(dá)到１５ｌｍ/Ｗ的LED；２００１年美國研制出光效達(dá)到４０～５０ｌｍ/Ｗ的LED，甚至超過了白熾燈和鹵鎢燈，接近熒光燈光效。單個ＬＥＤ功率也不夠大，僅有１Ｗ多，還不能廣泛用于室內(nèi)外照明，但彩光ＬＥＤ在裝飾照明領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成熟。專家認(rèn)為：白光ＬＥＤ的光效只有達(dá)到５０ｌｍ/Ｗ以上，并且提升單只白光ＬＥＤ的功率，才能真正在照明領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，白光ＬＥＤ正朝著高光效、高亮度、高功率、高顯色指數(shù)的方向發(fā)展。目前，世界各國主要致力于白光ＬＥＤ的研制和開發(fā)，在不久的將來，白光ＬＥＤ的光效有望達(dá)到１００ｌｍ/Ｗ，甚至提升到２００ｌｍ/Ｗ以上，那時，ＬＥＤ將在照明光源領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。
ＬＥＤ主要由ＰＮ結(jié)芯片、電極、光學(xué)系統(tǒng)及附件等組成。ＬＥＤ的發(fā)光體叫晶片，其面積為１０．１２ｍｉｌ（１ｍｉｌ＝０．０２５４ｍｍ２）。
在潔凈的環(huán)氧樹脂中，封裝半導(dǎo)體晶片。在半導(dǎo)體的ＰＮ結(jié)的Ｐ型端加正電壓，空穴就會流向Ｎ型端，電子則由Ｎ型端流向Ｐ型端。當(dāng)電子通過晶片時，帶負(fù)電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域，空穴和電子可以直接結(jié)合，在結(jié)合的過程中，能量以光的形式釋放出光子，這就是ＬＥＤ的發(fā)光原理。另外，有些ＬＥＤ中的電子加速后在撞擊、游離化過程中也可釋放出能量而發(fā)光。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子能量就越高。傳統(tǒng)的發(fā)光二極管大多是利用砷化鎵（ＧａＡｓ）、磷化鎵（ＧａＰ）或它們的組合晶體（ＧａＡｓＰ）等ＩＩＩ－Ｖ族的半導(dǎo)體構(gòu)成。
ＬＥＤ的顏色和發(fā)光效率等光學(xué)性能與半導(dǎo)體材料及其加工工藝有關(guān)。在Ｐ型材料和Ｎ型材料中摻入不同的雜質(zhì)，就可以得到不同的單一波長的ＬＥＤ發(fā)光二極管，同時電氣性能也會有所不同。根據(jù)光學(xué)原理，白光由連續(xù)光譜組成，因此，不可能制出直接發(fā)出連續(xù)光譜的單只白光ＬＥＤ。在照明領(lǐng)域，應(yīng)用最為廣泛的是白光，因此，白光ＬＥＤ的研制和技術(shù)進(jìn)步，關(guān)系到ＬＥＤ在照明領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。
單個ＬＥＤ發(fā)光二極管的光學(xué)系統(tǒng)包括平行發(fā)射器、偏振片、透光罩等。光學(xué)系統(tǒng)可以使ＬＥＤ的光束以平行光或一定的光束角發(fā)射出去（如圖1所示）。因此，改變封殼圓頂?shù)膸缀涡螤睿涂梢愿淖儯蹋牛牡墓馐恰?/div>
白光ＬＥＤ可以由一只ＬＥＤ產(chǎn)生的2種或3種單色光合成，也可以由幾只單色光ＬＥＤ混裝在一起，按三基色合成原理得到白光，如表2所示。目前，商品化白光ＬＥＤ主要有三種發(fā)光方式：
（1）在４６０ｎｍ波長的ＩｎＧａＮ藍(lán)光晶粒上涂一層ＹＡＧ熒光物質(zhì)，利用藍(lán)光ＬＥＤ照射此熒光物質(zhì)，可以產(chǎn)生５５５ｎｍ波長的黃光，再利用透鏡原理把可以互補(bǔ)的藍(lán)光、黃光混合，就可以發(fā)射出白光（如圖2所示）。但光譜中藍(lán)色光譜較強(qiáng)，缺少紅色光譜，顯色指數(shù)Ｒａ才達(dá)到７０。這是目前應(yīng)用最為廣泛的白光ＬＥＤ制作原理。
（2）經(jīng)紫外芯片激發(fā)ＲＧＢ三基色熒光粉，其發(fā)光機(jī)理與三基色熒光燈相似。改變熒光粉的成分比例，就可以得到各種色溫的白光，顯色性較好。
（3）把ＲＧＢ三基色芯片封裝在一起，改變?nèi)叩陌l(fā)光強(qiáng)度比例，就可以得到任意色溫的白光（如圖3所示），但產(chǎn)品質(zhì)量不易控制。產(chǎn)品性能一致性較差，易受環(huán)境影響。
“圖4、圖5”表示一種白光ＬＥＤ構(gòu)造和發(fā)光示意圖：把ＧａＮ芯片和釔鋁石榴石熒光粉（ＹＡＧ）封裝在一起，藍(lán)光ＬＥＤ基片安裝在碗形的反射腔中，基片上覆蓋著混有ＹＡＧ熒光粉的樹脂薄層。通電后，ＧａＮ芯片發(fā)藍(lán)光（λＰ＝４５６ｎｍ，Ｗｄ＝３０ＮＭ）。一部分藍(lán)光激發(fā)ＹＡＧ熒光粉后發(fā)出黃色光，一部分藍(lán)光與黃色光混合，就得到了白光。對于ＩｎＧａＮ/ＹＡＧ白色ＬＥＤ，通過改變ＹＡＧ熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉的厚度，就能夠得到３５００～１００００Ｋ的各色白光。
3 ＬＥＤ的性能
3.1 發(fā)光效率高并有極大的提升空間
單色ＬＥＤ光效已經(jīng)達(dá)到１００ｌｍ/Ｗ左右，與目前光效最高的鈉燈、金鹵燈相當(dāng)。目前白光ＬＥＤ光效雖然只有１５～５０ｌｍ/Ｗ，但已經(jīng)超越白熾燈、鹵鎢燈光效，接近日光燈光效。專家預(yù)測，在照明領(lǐng)域最有應(yīng)用前景的白光ＬＥＤ的發(fā)光效率，還有極大的提升空間。將會在照明光源領(lǐng)域掀起一場革命。
3.2 響應(yīng)時間短
白熾燈的響應(yīng)時間以毫秒計，ＬＥＤ的響應(yīng)時間則以納秒計。這一特性使得作為整體裝飾照明的ＬＥＤ能在瞬間一致改變顏色，達(dá)到夢幻效果。
3.3 省電節(jié)能
ＬＥＤ電源電壓直流６～１２Ｖ，單管功率０．０３～０．０６Ｗ，電流１５～１８ｍＡ。在同樣照明效果下，耗電量是白熾燈的１/８、熒光燈的１/２。如利用ＬＥＤ更換現(xiàn)有白熾燈和熒光燈，會獲得十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在ＬＥＤ光效進(jìn)一步提高后，節(jié)能效果會更加顯著。
3.4 使用壽命長
ＬＥＤ體積小、反應(yīng)速度快、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，堅固耐用，平均壽命１０萬小時，可以使用５～１０年。易于隱蔽安裝，同時維護(hù)量小，維護(hù)費(fèi)用低。
3.5 應(yīng)用靈活
可以作成點(diǎn)、線、面等各種形式的發(fā)光產(chǎn)品。
3.6 光束具有方向性
每只ＬＥＤ燈管的光束都可以控制，具有一定的方向性。無眩光且光線柔和，內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強(qiáng)度，調(diào)整發(fā)光方式。
3.7 顏色可變
ＬＥＤ的光色可以隨電流大小而改變。ＬＥＤ可以方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)、橙、紫等多色發(fā)光。這個特性在裝飾照明中非常實(shí)用。
3.8 安全可靠無污染
ＬＥＤ工作電壓低，使用安全，尤其適用于公共場所。因?yàn)槠鋵儆诶涔庠矗ぷ鲿r發(fā)熱量低，無紅外和紫外輻射。ＬＥＤ無汞、鈉等危害人身健康的金屬元素，是一種真正的綠色照明光源。
4 ＬＥＤ亟待解決的問題
雖然ＬＥＤ具有諸多優(yōu)異的性能，但仍然存在著一些亟待解決的問題。
（1）提高白光ＬＥＤ的光效
使單只白光ＬＥＤ光效盡快從目前的５０ｌｍ/Ｗ以下提升到１００ｌｍ/Ｗ以上，以獲得更多的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益；
（2）提高單只ＬＥＤ的功率
目前應(yīng)用的ＬＥＤ，單只功率一般在１Ｗ以下，需要多只ＬＥＤ組合后才能滿足裝飾照明、交通信號照明等需要。要真正使ＬＥＤ廣泛用于照明領(lǐng)域，必須提高單只白光ＬＥＤ的功率。尤其在室外照明中，普遍使用大功率光源，得到較高的光通量。因此，ＬＥＤ要真正進(jìn)入照明領(lǐng)域，尤其進(jìn)入室外照明領(lǐng)域，還有很長的路要走。
（3）提高白光ＬＥＤ的顯色性
白光ＬＥＤ發(fā)出的光與自然光相比，仍有一定的差距。白光ＬＥＤ發(fā)出的光含有藍(lán)色光的成分，給人的視覺產(chǎn)生不自然的感覺。白熾燈光中，含有較強(qiáng)的黃色光成分，給人以溫暖的感覺。因此，進(jìn)一步提高白光ＬＥＤ的顯色指數(shù)，減少白光中的藍(lán)色成分，適當(dāng)增加黃色成分，是今后提高白光ＬＥＤ發(fā)光質(zhì)量的重要課題之一。
（4）降低價格
降低ＬＥＤ的價格，也是必須解決的一個問題。目前使用的各種ＬＥＤ裝飾燈、標(biāo)志燈、交通信號燈等，都是由多只ＬＥＤ組合再配上附件、燈具而制成。一套ＬＥＤ照明燈的價格，是一套同等照明效果的普通照明燈的幾倍，很難被廣大消費(fèi)者接受。
白光LED的現(xiàn)狀及改進(jìn)方法如表3所示。
5 ＬＥＤ的應(yīng)用
目前，彩色ＬＥＤ產(chǎn)品的光譜，已經(jīng)覆蓋了整個可見光的光譜范圍，并且以光效高、色彩純正、亮度高、方向性好、顏色可變等優(yōu)異的性能，廣泛用于裝飾照明和信號標(biāo)志的各個領(lǐng)域。
而白光ＬＥＤ的技術(shù)性能還有待進(jìn)一步提高，所以白光ＬＥＤ在室內(nèi)、室外照明中還沒有得到廣泛應(yīng)用，但專家預(yù)計：根據(jù)現(xiàn)今ＬＥＤ技術(shù)飛躍發(fā)展的態(tài)勢，白光ＬＥＤ有望在不久的將來，成為與白熾燈、熒光燈、氣體放電燈共同爭霸的新一代占主導(dǎo)地位的照明光源。
ＬＥＤ有兩種外接電源方式：一種是ＬＥＤ與其他高等級電子元器件連成可靠的發(fā)光線路，直接連接在ＡＣ２２０Ｖ的工作電源上；另一種是通過變壓器把ＬＥＤ發(fā)光線路板制成低壓直流工作電源，再供給ＬＥＤ使用。
5.1 ＬＥＤ應(yīng)用的構(gòu)成形式
（1）利用單只超高亮ＬＥＤ，根據(jù)需要組成各種線條、圖形、文字等。在建筑物輪廓、市政設(shè)施、內(nèi)透光、室內(nèi)外裝飾照明等地方應(yīng)用；
（2）利用單只超高亮ＬＥＤ，集合組裝成點(diǎn)光源，然后把這些點(diǎn)光源組成標(biāo)志、文字、線條、圖案等；
（3）把多只ＬＥＤ制成燈泡，在景觀裝飾和廣告圖案等照明中使用；
（4）以ＬＥＤ為光源，制成各種照明燈或裝飾燈，如泛光燈、信號燈、水下燈、地埋燈、草坪燈、壁燈、ＰＡＲ燈、射燈、發(fā)光面磚、室內(nèi)射燈等；
（5）以１條或幾條ＬＥＤ為光源，外罩ＰＣ管或ＰＭＭＡ、玻璃管、ＰＶＣ管等，制成欄桿燈、輪廓燈、彩虹管等。有的燈管具有彎曲或有折光性能。這種ＬＥＤ燈常用于橋梁欄桿裝飾和建筑物輪廓裝飾照明；
（6）利用ＬＥＤ為點(diǎn)光源，制成串燈、網(wǎng)燈等；
（7）以ＬＥＤ為光源制成發(fā)光板，鋪在廣場或舞臺上，能取得很好的觀賞效果；
（8）以ＬＥＤ為光源，制成顯示屏、標(biāo)志、廣告、發(fā)光柱等；
（9）以ＬＥＤ為光源，制成臺燈、汽車轉(zhuǎn)向燈等，用于生活照明或局部照明；
（10）以ＬＥＤ作為儀表、儀器的背光源。
在室外照明中應(yīng)用的各種ＬＥＤ必須配套安裝有關(guān)器件、防護(hù)玻璃、防護(hù)管或燈具等，滿足相應(yīng)場所的裝飾照明要求。在室外地面以上安裝時，建議防護(hù)等級不小于ＩＰ６５；在水下安裝時，建議防護(hù)等級不小于ＩＰ６７。
目前，一些廠家根據(jù)市場需求，把ＬＥＤ制成多種模塊，可以方便地制出各領(lǐng)域需要的產(chǎn)品（如表4所示）。5.2 LED應(yīng)用領(lǐng)域
（1）交通信號燈
在我國的大中城市，已經(jīng)普遍采用ＬＥＤ交通信號燈取代白熾燈交通信號燈，取得很好的效果。ＬＥＤ交通信號燈節(jié)能省電、亮度高、色彩純正，接近平行光束，不易造成假顯示，使用壽命長，燈具造型美觀，是交通信號照明的發(fā)展和推廣方向。
（2）標(biāo)志廣告照明
廣告和標(biāo)志使用ＬＥＤ作為光源，醒目節(jié)電，利用ＬＥＤ做成的圖形和文字，可以產(chǎn)生色彩漸變、追逐等變化，成為城市夜晚燈光環(huán)境中的新亮點(diǎn)。
（3）景觀照明
在建筑物立面照明中，可以用ＬＥＤ進(jìn)行輪廓照明。在商業(yè)建筑門面、旅游景點(diǎn)、名勝古跡、休閑娛樂等場所的裝飾照明中，ＬＥＤ以色彩艷麗、變化奇妙而受到歡迎和重視。
（4）市政公用設(shè)施裝飾照明
ＬＥＤ作為各種市政公用設(shè)施裝飾照明燈的光源，得到了廣泛應(yīng)用：欄桿燈、埋地?zé)簟⒉萜簾簟⑼ピ簾簟⑺聼簟⒁瑯錈簟⒍Y花燈、發(fā)光柱等在許多城市都隨處可見。尤其是裝飾性欄桿燈和水下燈等，可以變幻色彩，給市政公用設(shè)施裝飾照明增添了很多觀賞情趣。
（5）大屏幕顯示
高亮度ＬＥＤ產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)三原色光，可以組成彩色大屏幕顯示屏。在一些大型公共場所，如廣場、車站、金融證券廳室、體育場館等，LED顯示屏成為極好的信息顯示載體。
（6）汽車照明
如今汽車逐漸進(jìn)入百姓家庭，LED作為汽車的尾燈、轉(zhuǎn)向燈、側(cè)燈及車內(nèi)儀表盤的照明光源，ＬＥＤ的作用更加廣泛。
（7）背光源
現(xiàn)代眾多的儀表、儀器、手機(jī)、電腦等產(chǎn)品，都使用ＬＥＤ作為背光源，大大地開拓了ＬＥＤ的使用領(lǐng)域。
（8）特殊照明和軍事照明
在許多條件惡劣的工礦領(lǐng)域，如礦山、野外作業(yè)等，ＬＥＤ以其密封性、抗震性、防爆性、耐侯性、低壓無輻射、便于攜帶等優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。
（9）其他照明
安全低電壓、抗震、亮麗的性能優(yōu)勢使LED在玩具、禮品、工藝品等制品中得到廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
1 屠其非.周大明.照明設(shè)計師的新寵兒LED
2 《城市夜景照明技術(shù)指南》 北京照明學(xué)會.北京市市政管理委員會
