标题：LED光源
引言
发光二极管（LED）灯泡无论在结构上还是在发光原理上，都与传统的白炽灯有着本质的不同。发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。  LED  LED光源长期以来，人们之所以没有将发光二极管用于照明，主要是因为发光二极管通常只能发出红色光或黄色光，要想获得白色光，还必须制造出能发出蓝光的发光二极管。这样，红、黄、蓝三种光“混合”后，就产生出白光。 科学家发现了一种新型半导体材料―――氮化镓，它在经过适当处理后就能发出蓝光。发蓝光的问题解决后，发白光的问题就有了希望。英国剑桥大学材料系的柯林.翰弗莱斯称，他们在实验中已研制出可发白光的发光二极管灯泡，这种灯泡发出的光线与阳光十分接近，具有良好的应用前景。他说，发光二极管灯泡以半导体为材料，因此，这种发光装置可以做的很小，只有几毫米，将其安装在墙壁或天花板上，如果不开灯，几乎察觉不到它们的存在，这样就免去了普通白炽灯需配上灯罩以防光线刺眼睛的麻烦。另外，这种灯泡的寿命很长，安上后几乎不用更换，今后人们也许会忘记换灯泡是怎么一回事。目前，他正在呼吁英国政府增加投入，以保证英国能在这一技术领域走在前列。 
除经久耐用外，这种灯泡在节能方面也有很大潜力。LED光源图片(14张)
发光原理
要了解二极管的发光原理，首先要了解半导体的基本知识。半导体材料的导电性质介于导体和绝缘体材  料之间，它的独特之处在于：当半导体受到外界光和热条件的刺激时，它的导电能力会发生显著的变化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力也会显著的增加。在近代电子学中用得最多的半导体就是硅（Si）和锗（Ge），它们的最外层电子都是4个，在硅或者锗原子组成晶体时相邻的原子相互影响，使外侧电子变成两个原子共有的，这就形成了晶体中的共价键结构，这是一种约束能力很小的分子结构。在室温（300K）情况下，由于受到热激发就会使一些最外层电子获得足够的能量而脱离共价键束缚变成自由电子，这个过程叫做本征激发。在电子摆脱束缚成为自由电子后，共价键中会留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特征。 
由于共价键出现了空穴，在外加电场或者其他的能源作用下，邻近的价电子就会填补这个空穴，而这个电子的原来位置上又形成新的空穴，以后其他电子再转移到这个新的空穴上。这样就产生了一定的电荷转移我们可以用以下公式对本征半导体中的自由电子的浓度进行计算： 
ni（T）=AT3/2e－EG/2kT式中， 
EG——电子挣脱共价键束缚所需要的能量，单位是eV（电子伏），又被称为禁带宽度； 
T——温度； 
A——系数； 
k——波耳兹曼常数（1．38×10－23J/K）； 
e——自然对数的底。 
由于在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，所以这个计算公式也可以用来表示空穴的浓度。在半导体中自由电子（或空穴）的浓度越高，导电能力越强，在常温附近，温度每升高8℃，硅的自由电子浓度增加1倍；温度每升高12℃，锗的自由电子浓度升高1倍。 
在本征半导体中加入少量的五价元素杂质如磷等，它在与其他半导体原子结成共价键以后会有一个多余的电子，这个多余的电子只需要非常小的能量就能摆脱束缚成为自由电子，这类杂质半导体被称为电子半导体（N型半导体）。而在本征半导体中加入少量的三价元素杂质（如硼等），因为它外层只有三个电子，在与周围的半导体原子组成共价键以后会在晶体中产生一个空位，这类杂质半导体被称为空穴半导体（P型半导体）。在N型和P型半导体结合后，在它们的交界处就会出现自由电子和空穴的浓度差别，于是电子和空穴都要向浓度低的地方扩散，留下了一些带电却不能移动的离子，从而破坏了N区和P区原来的电中性。这些不能移动的带电粒子通常被称为空间电荷，它们集中在N区和P区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结。 
在PN结的两端加上正向偏置电压（P型的一边加正电压）后，空穴和自由电子就会相互移动，形成一个内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合，复合的同时有时会以光子的形式释放多余能量，这就是我们所见到的LED发出的光。这样的光谱范围是比较窄的，由于每种材料的禁带宽度不相同，所以释放出的光子波长也不同，所以LED发光的颜色由所使用的基本材料决定.
设计理念
LED的出现打破了传统光源的设计方法与思路，目前有两种最新的设计理念。 
1.情景照明：以环境的需求来设计灯具。情景照明以场所为出发点，旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境，去烘托场景效果，使人感觉到有场景氛围。 
2.情调照明：以人的需求来设计灯具。情调照明是以人情感为出发点，从人的角度去创造一种意境般的光照环境。情调照明与情景照明有所不同，情调照明是动态的，可以满足人的精神需求的照明方式，使人感到有情调。
光源种类
二基色荧光粉转换二基色白光LED是利用蓝光LED芯片和YAG荧光粉制成的。一般使用的蓝光芯片是InGaN芯片，另外也可以使用A1InGaN芯片。蓝光芯片LED配YAG荧光粉方法的优点是：结构简单，成本较低，制作工艺相对简单，而且YAG荧光粉在荧光灯中应用了许多年，工艺比较成熟。其缺点是，蓝光LED效率不够高，到使LED效率较低；荧光粉自身存在能量损耗；荧光粉与封装材料随着时间老化，导致色温漂移和寿命缩短等。三基色荧光粉转换在较高效率前提下有效提升LED的显色性。得到三基色白光LED的最常用办法是，利用紫外光LED激发一组可被辐射有效的三基色荧光粉。这种类型的白光LED具有高显色性，光色和色温可调，使用高转换效率的荧光粉可以提高LED的光效。不过，紫外LED+三基色荧光粉的方法还存在一定的缺陷，比如荧光粉在转换紫外辐射时效率较低;粉体混合较为困难；封装材料在紫外光照射下容易老化，寿命较短等。多芯片白光LED光源将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起，也可以得到白光。这种类型的白光LED光源，称为多芯片白光LED光源。与荧光粉转换白光LED相比，这种类型LED的好处是避免了荧光粉在光转换过程中的能量损耗，可以得到较高的光效；而且可以分开控制不同光色LED的光强，达到全彩变色效果，并可通过LED的波长和强度的选择得到较好的显色性。此方法弊端在于，不同光色的LED芯片的半导体材质相差很大，量子效率不同，光色随驱动电流和温度变化不一致，随时间的衰减速度也不同。为了保持颜色的稳定性，需要对3种颜色的LED分别加反馈电路进行补偿和调节，这就使得电路过于复杂。另外，散热也是困扰多芯片白光LED光源的主要问题。
光源优点
1、节能环保  LED的发光原理与白炽灯和气体放电灯的发光原理都不同，LED光源的能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，LED相比荧光灯也可以达到50%的节能效果。节能效果显著，这对能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。LED还可以与太阳能电池结合起来应用，节能又环保。其本身不含LED光源灯具(19张)有毒有害物质（如：汞），避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染，同时又没有干扰辐射。LED光源的不但更加环保节能，而且LED光源的光机色域更宽，色彩饱和度更高，更为关键的是，LED灯饰光源的使用寿命长达60000小时，能彻底解决传统灯泡光源寿命短的问题 
2、寿命长 
正常情况下使用LED，其光衰可以减到70%的标称寿命是10万小时，减少了更换频率和其他维护工作。 
3、光色纯正 
由于典型的LED的光谱范围都比较窄，不像白炽灯那样拥有全光谱。因此，LED可以随意  LED光源图片进行多样化的搭配组合，特别适用于装饰等方面。 
4、防潮、抗震动 
由于LED的外部多采用环氧树脂来保护，所以密封性能和抗冲击的性能都很好，不容易损坏。它可以应用于水下照明。 
还有其他优点如：低热量、小型化、响应时间短等，这些都使LED光源具有很大的优势，为应用于实际生产生活中创造了有利条件。LED光源优点与缺点：大功率LED特点及与其他光源比较LED被称为“绿色光源”当之无愧。在照明行业中，将其与传统光源比较分析，某些方面表现出难以替代的优点：LED作为光源用于照明具有以下优点：
1、耗电量低：光效为75lm/W的LED较同等亮度的白炽灯耗电减少约80% ;
2、寿命长：产品寿命长达5万小时，24小时连续点亮可用7年;
3、亮度和色彩的动态控制容易：可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩动态变换和数字化控制;
4、外形尺寸灵活：可实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果;
5、环保：无有害金属汞，无红外和紫外线辐射;
6、颜色：鲜艳饱和、纯正，无需滤光镜，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，可实现多变、逐变、混光效果，显色效果极佳。集这么多优点于一身，更让我们感受到大力推广使用LED是一项很有价值的工作。
但是LED与其他光源比较也有不足的方面，比如在白光照明中显色性偏低。目前用黄色荧光粉和蓝光产生的白光LED，其显色性指数约为80。作为一般照明还可以，但对于一些色彩分辨要求高的场所就显得不足。虽然通过增加适当红色荧光粉等方法，可以使显色指数提高到90或者更高，但是与白炽灯的99相比较还是有一定差距，而且其效率会受到影响。通过RGB混色处理也可以提高显色性，但是在技术在普及应用上还需要做更多工作，因此显色性方面，LED还需要作提升。至于价格过高、一次性投入较大，其实从综合成本考虑，很多场合使用LED还是节约了大量成本。[1]
特性
1、高效节能　一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电)；
2、超长寿命　半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）；
3、光线健康光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线） ；  LED辐照器（365）4、绿色环保　不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）；
5、保护视力　直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）；
6、光效率高　发热小，90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）；
7、安全系数高　所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，于矿场等危险场所；
8、市场潜力大　低压、直流供电，电池、太阳能供电，于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。
性能指标
（1）颜色：目前主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、琥珀色。（2）电流：根据功率级的不同，常用的LED电流在20mA-2A不等。（3）电压：电压与颜色有关系，一般红、绿、蓝的VF在1.8-2.4V之间；白、蓝、绿的电压在3.0-3.6之间（4）反向电压Vrm：LED所允许的最大反向电压。超过此值，LED可能被击穿损坏。需注意的是，有的LED是不允许反向的（如OSRAM），一般Vrm在3-5V之间。（5）色温：以绝对温度K来表示。eg.夏日正午阳光5500K,下午日光4000。（6）发光强度：以坎德拉cd来计。这个量表明发光体在空间发射的会聚能力，是对光功率和会聚能力的一个共同描述。eg.Ф5的LED的I约为5mcd。（7）光通量：以流明lm来计。此量是描述光源的发光总量的大小，与光功率等价。现在1W的LED光通量可以做到80-130lm。（8）光照度：以勒克斯lux来计。即均匀分布在1㎡表面上的光通量。（9）显色性：以CRI来表示。eg.Luxeon冷白为70，中性白为75，暖白为85。（10) 半值角：发光强度为峰值的一半时距中心线的2倍角度。根据不同应用，可以分为高指向性、标准型和散射型。eg.XP-C的半值角110°。（11）主波长（12）峰值波长（13）中心波长（14）色纯度（15）半宽度（16）热阻：以RθJC来表示，单位为℃/W。目前国外的功率级LED的热阻基本在10 ℃/W以内。eg.Rebel,white: 9 ℃/W;XP-G: 6 ℃/W.（17）寿命：维持到初始光通量70%的时间，而这个时间可以到30.000-100.000小时。[2]
应用
1）指示灯类
2）LED背光类
3）LED显示屏类
4）手持产品背光、闪光类
5）汽车应用类
6）通用照明类
7）景观照明类
8）特殊照明类
选购注意
随着一哄而上的市场，作为消费者，选用led依然要冷静，科学地分析，选用性价比最好的光源灯具，下面介绍几种LED的基本性能： 
1、亮度。LED的亮度不同，价格不同。用于LED灯具的LED应符合雷射等级Ⅰ类标准。 
2、抗静电能力。抗静电能力强的LED，寿命长，因而价格高。通常抗静电大于700V的LED才能用于LED灯饰。 
3、波长。波长一致的LED，颜色一致，如要求颜色一致，则价格高。没有LED分光分色仪的生产商很难生产色彩纯正的产品。 
4、漏电。电流LED是单向导电的发光体，如果有反向电流，则称为漏电，漏电电流大的LED，寿命短，价格低。 
5、发光。角度用途不同的LED其发光角度不一样。特殊的发光角度，价格较高。如全漫射角，价格较高。 
6、寿命。不同品质的关键是寿命，寿命由光衰决定。光衰小、寿命长，寿命长，价格高。 
7、晶片。LED的发光体为晶片，不同的晶片，价格差异很大。日本、美国的晶片较贵，一般台湾及国产的晶片价格低于日、美。 
8、晶片大小。晶片的大小以边长表示，大晶片LED的品质比小晶片的要好。价格同晶片大小成正比。 
9、胶体。普通的LED的胶体一般为环氧树脂，加有抗紫外线及防火剂的LED价格较贵，高品质的户外LED灯饰应抗紫外线及防火。每一种产品都会有不同的设计，不同的设计适用于不同的用途，LED灯饰的可靠性设计方面包含：电气安全、防火安全、适用环境安全、机械安全、健康安全、安全使用时间等因素。从电气安全角度看，应符合相关的国际、国家标准。 
由于LED是新产品，中国国家标准滞后，但国家提供产品合格测试。具有国际安全认证(如GS、CE、UL等)及国家产品质量合格证的LED灯饰价格要高，因为这些产品在安全设计上是可靠的。消费者注意的是要认真鉴别证书的真伪，现在有国际安全认证及国家产品合格证的厂家并不多。[3]
检测种类
环形光源：直接照射被测物上方。 
条型光源：有三种照射效果分别为直射、斜射及测光。 
线型光源：有聚光效果，高亮度可缩短摄影机曝光时间。 
回型光源：角度可调整以配合不同特性的待测物及工作距离。 
背光源：从待测物背面照射。 
外同轴反射光源：由侧向光源经由分光镜可将光线平行照射于待测物上。 
内同轴点状光源：需搭配同轴镜头使用。 
半球型垄罩光源：光源经扩散罩漫射可行成一均匀照射区。 [4]
奥运机遇
LED半导体照明不仅为北京奥运增光添彩，也照亮这个产业更加美好的前景。在全球能源短缺、环保要求不断提高的情况下，举世瞩目的2008年北京奥运会给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。
据了解，在北京奥运工程中所采用的LED产品包括：景观照明、数字化交通信息 
显示、疏导标识、太阳能半导体照明、室外全彩显示屏、应急照明……
据统计，北京奥运会36个比赛场馆中使用LED产品的总值已接近5亿元，这还不包括奥运村、奥运公园等其他公共照明设施市场，是奥运历史上首次大规模使用LED照明。
据介绍，除了比用常规照明至少节能60%以外，LED照明还凭借长寿命、易集成、快响应、利环保、光分布易于控制、色彩丰富等优势，成为照明领域的新宠。白炽灯的寿命一般为1000—2000小时，而LED灯的理论寿命则长达10万小时，并且比白炽灯省电80%，比荧光节能灯省电50%。
业内人士表示，LED照明在奥运重大工程中的应用，起到极好的展示作用，借助奥运项目的影响力，LED照明将更有效地扩大应用示范效应，影响和推动LED产业的更快发展。
中国照明协会的专家认为，LED在奥运工程中的出色表现，不仅带动奥运城市LED照明产业的快速成长，更重要的是它所起到的表率作用，将会打消其他城市对于使用LED照明的顾虑。在奥运效应的刺激下，我国LED照明产业将在2010年前后迎来新的发展高峰。
中标奥运照明工程项目最多、金额最大、产品应用范围最广的雷士总裁吴长江说，北京奥运会是国内照明品牌实现飞跃的一个重要舞台，为LED照明产业推广应用带来了巨大的契机。
晨辉照明、宁波燎原、东莞百分百科技等中标奥运工程的国内照明企业代表也一致表示，借助奥运项目的影响力，在今后将大力发展LED照明。通过本次奥运工程的锻炼，国内一些有实力的照明企业，对于自己在未来照明市场的定位有了比较清醒的认识。
数据显示，2008年，全球LED的应用市场将从2004年的125亿美元提高到500亿美元，全球正在展开一场抢占LED市场制高点的争夺战，尤其是我国庞大的市场尚待开发，更是国内外照明巨头的“主战场”。
据权威机构预测，在奥运的强力带动下，中国LED照明市场规模将从2007年的48.5亿元快速增长至2010年的98.1亿元，LED将逐渐进入主流照明体系。而目前，我国照明行业年产值已达800多亿元。
据国家半导体照明工程研发及产业联盟预计，到2010年，我国LED产品的发光效率可达到100lm/W(流明/瓦)，开始进入普通照明市场，年节电500亿千瓦时，通过节电可减少污染物排放5000万吨。2015年，LED产品的发光效率可达到150lm/W，LED照明占有20%%的照明市场(照明用电将超过5000亿千瓦时)，每年将节约用电1000亿千瓦时，超过目前三峡水电站的年发电量，通过节电可减少污染物排放1亿吨。
奥运助跑LED照明，奥运照亮LED产业前景。[5]