LED技術發(fā)展及其應用挑戰(zhàn)

1968年，LED價格瓶頸被打破，Monsanto公司和惠普公司開始使用極具性價比的砷化鎵磷化物(GaAsP)大批量生產紅色LED。這種紅色LED最初大量用于替代白熾燈和氖管指示燈，如開/關/待機指示燈，隨后很快又用于數碼顯示器。

經過類似電視機那樣意料之中的快速發(fā)展，現在的LED可以提供寬泛的顏色，單個器件具有多種顏色、亮度和功耗等級，并且可以提供各種獨特的封裝類型。還有無數器件能夠發(fā)出從紅外線(IR)一直到紫外線(UV)的一系列不可見光。

器件類型的快速發(fā)展通常都會導致革命性的應用?？梢姽釲ED不再只是用作指示燈，也用于代替幾乎所有照明(實用和裝飾性)和標識性應用中的白熾燈和熒光燈，因為這些LED具有低功耗/低發(fā)熱特性、明顯更長的壽命以及在長期和短期運行狀態(tài)下更低的成本。

經過多年的發(fā)展，LED還深入到一些專業(yè)的非照明設計中，如音頻電路中的波形控制器(圖1)。而紅外線和紫外線LED也可以用于從遙控到醫(yī)療的眾多領域。

可見光LED

今天LED產品種類已經十分豐富，可以提供各種尺寸、顏色、形狀和類型，以及多樣化的電氣指標和參數，還可以提供標準和獨特的封裝，當然價格也是千差萬別。每種LED可以滿足一種或多種應用，如普通照明、數碼相機中的閃光燈、LCD背光照明以及最基本的指示燈等等。

用于基本指示用途、原型創(chuàng)建和業(yè)余愛好的普及低成本中等功率LED(圖2)仍然十分豐富，制造這些LED的材料通常是砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵磷化物(GaAsP)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)或磷化鎵(GaP)。雖然紅色仍然是最通用的顏色，但也可以提供綠色、橙色、黃色和藍色。這些LED的正向壓降在1V至2V之間，正向電流約20mA。

圖2：普通低成本LED通常要求1V正向電壓和20mA靜態(tài)電流，可以提供眾多的顏色、尺寸和形狀。

除了單個器件外，其它通用LED還包括數碼顯示器、雙色和三色LED、紅綠藍(RGB)元件和閃光LED。對于在功耗和尺寸方面沒有太多限制的一般設計來說，這些LED基本可以滿足預算要求。

大功率LED(HPLED)和HPLED模塊主要用于工業(yè)、商業(yè)、住宅或裝飾性照明應用，如今正在迅速代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈和熒光燈具，特別是隨著這些產品的價格走低，這一趨勢愈加強烈。這些LED產品的一個顯著優(yōu)點是長壽命，一般可以達到5萬小時以上，比熒光燈長1萬多個小時，比白熾燈長1000多小時，即使是在頻繁的開/關狀態(tài)下。HPLED的亮度可以達到105流明/瓦以上，因此功效同樣十分優(yōu)秀。

來自Cree公司的XLamp MPL EasyWhite LED(圖3)就是一種替代低效技術的很好例子。與傳統(tǒng)光源相比，這種LED具有更高的性能、顏色一致性和流明密度，并且專門針對方向性照明應用作了優(yōu)化，包括PAR型或BR型燈泡。通過精心的系統(tǒng)設計，這種LED可以提供與3,000K、75W等級BR-30燈泡相當的光線輸出，功耗要比白熾燈技術低78%。

圖3：Cree公司的XLamp MPL EasyWhite LED在250mA電流時可以輸出高達1,500流明的照度。

MPL EasyWhite LED的封裝尺寸為12x13mm，在250mA電流時可以提供高達1,500流明的照度。另外，這種LED可以提供位于相應ANSI C78.377-2008色彩類別中心的2,700K、3,000K、3,500K和4,000K色溫。當然，在需要為特殊照明應用表征LED封裝時，也可以采用其它可行的選項。

影響總體效率的障礙之一是LED需要使用直流電源，因此在許多照明應用中需要使用電源轉換器。除了更多的器件數量外，這些轉換器還需要精心設計，從而增加了LED拓撲的成本。

Seoul Semiconductor公司的Acriche LED燈(圖4)部分解決了這個問題，這種LED可以直接使用交流電源工作。這種100流明/瓦的Acriche光源效率要比現有LED產品高出25%。據該公司介紹，由于不需要AC/DC轉換器，這種LED的碳排放不到白熾燈的十分之一。

圖4：Seoul Semiconductor公司的100流明/瓦Acriche LED使用交流電源工作，不需要AC/DC轉換器。

LED通常發(fā)熱量都很低，但當許多LED聚集在一起用于更高亮度的照明應用，或限用于高組裝密度的電路板和特別緊湊的地方，那么散熱問題也會變得突出。同樣為了分享LED這塊大蛋糕，半導體公司Vishay推出了采用熱增強型PLCC-4封裝的VLMW321xx和VLMW322xx表貼白色LED系列產品(圖5)。為了取得與類似器件的更大引腳兼容性，VLMW321xx提供三個陽極和一個陰極，而VLMW322x LED提供三個陰極和一個陽極。

圖5：Vishay公司的VLMW321xx和VLMW322xx表貼白色LED采用熱增強型PLCC-4封裝。

這些器件的熱阻低到300K/W，功耗最高為200mW。為適合汽車應用，這兩類器件都通過了AEC-Q101標準認證。其它值得分享的特性包括：從1,400至3,550mcd的照度，從7,000至8,900 mlm的光通量，60°的半亮度角以及每個封裝單元不到1.6的照度比。

不可見光LED

紅外線和紫外線LED的工作波長分別是大于750nm和小于400nm,這些器件被廣泛用于遙控(電視、家庭娛樂中心等)、通信和醫(yī)療應用中的光學隔離式信號通路中。紅外線LED通常用GaAs或AlGaAs制造，而紫外線LED的材料可以是金鋼石、氮化硼、氮化鋁、氮化鋁鎵(AlGaN)和氮化鋁鎵銦(AlGaInN)。這些LED的應用實例包括：任天堂Wii游戲機的傳感器條中使用的紅外線LED，以及殺滅某些細菌、粘合劑固化和生物合成中使用的紫外線LED.

夜間攝影是紅外線LED的眾多應用之一。LEDtronics公司提供的紅外線LED燈(圖6)具有850nm、880nm和940nm等多種波長，采用工業(yè)標準基座和多種發(fā)光角度，可以在完全黑暗的環(huán)境中實現圖像捕獲。這種LED燈可以抵御環(huán)境光線和電磁干擾(EMI)，并且可以使用所有標準的國內和國際電壓。

圖6：LEDtronics公司的紅外線LED燈采用850、880和940nm等波長，可以用于全黑照相。

值得注意的是，使用多個LED組成的燈具即使在一個或多個LED出現故障的情況下也能提供足夠的光線，而且平均壽命長達10萬小時以上。除了單個器件外，其它通用LED包括數碼顯示器、雙色和三色LED、RGB元件和閃光LED。

在光譜的另外一端，Lumex公司提供QuasarBrite系列紫外線LED(圖7)。與其它類似器件相比，這種LED壽命長10倍(超過5萬小時)，并且提供更嚴格的光束角度、更高的耐用性和高達50%的成本節(jié)省，Lumex公司表示。這些器件具有385nm、405nm和415nm等多種波長，應用包括物體表層殺菌、與泄漏和生物危害檢測有關的工業(yè)控制、贗品檢測和體液流動分析等辨析以及熒光墨水等。

圖7：Lumex公司的QuasarBrite紫外線LED的使用壽命超過5萬小時，可用于殺菌、工業(yè)控制和辨析應用。

OLED

有機LED(OLED)似乎有著很好的發(fā)展前景。2009年12月，DisplaySearch公司在其OLED出貨與預測季報中指出，2009年第3季度全球OLED收入打破了上次記錄，達到了2.52億美元，上升了31%。

OLED在陽極和陰極之間使用一層有機化合物作為光源。根據具體的配置，光線可以從器件的頂部或底部發(fā)出，這是由一個透明電極實現的。

目前有三種OLED：透明(TOLED)、堆疊(SOLED)和反向(IOLED)。TOLED依賴于器件兩側的透明電極，因此它們可以從器件頂部或底部發(fā)射光線。SOLED將紅色、綠色和藍色堆疊在一起，可以實現全彩顯示器。