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LED遙控?zé)艄庠打?qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)學(xué) 院：信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè) 班 級(jí)：0911班學(xué) 號(hào)：2009337學(xué) 生 姓 名：宋中正指 導(dǎo) 教 師：揣榮巖 （教授） 2011年 8月1課題研究的目的及意義半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)改變了世界，半導(dǎo)體照明技術(shù)將再一次改變我們的世界。作為一種全新的照明技術(shù)，LED是利用半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料、直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光器件。自20世紀(jì)60年代世界第一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管誕生以來(lái)，LED照明由于具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能、色彩豐富、安全、環(huán)保的特性，被譽(yù)為人類照明的第三次革命。節(jié)能是LED最大的特點(diǎn)，在我國(guó)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。中國(guó)照明用電約占總電量的12，保守估計(jì)2010年我國(guó)總發(fā)電量將達(dá)到30000億度，照明用電將達(dá)到約3600億度，如能節(jié)約一半的照明用電就是1800億度，相當(dāng)于兩個(gè)三峽電站的年發(fā)電量。照明節(jié)能產(chǎn)生了兩方面益處：能源消耗的節(jié)約和二氧化碳?xì)怏w排放的減少。LED照明技術(shù)正處于一個(gè)迅速發(fā)展的階段，發(fā)光效率不斷改善，根據(jù)海茲定律，每18到24個(gè)月單個(gè)LED封裝器件輸出的光通量將翻一倍。現(xiàn)在白光LED的發(fā)光效率已達(dá)到白熾燈2倍以上，到2010年將超過熒光燈，到2020年將達(dá)到熒光燈的2倍，屆時(shí)LED將成為全球照明的主要光源。2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2011年將是北半球國(guó)家LED應(yīng)用市場(chǎng)的元年。具備產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的國(guó)家將大舉搶占自己的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以及產(chǎn)業(yè)、進(jìn)行先封鎖再開放的布局；沒有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的國(guó)家將紛紛向中國(guó)靠攏、甚至于求救。我所在的全國(guó)高科技企業(yè)LED專業(yè)委員會(huì)已經(jīng)接到兩個(gè)友好鄰國(guó)政府的請(qǐng)求，他們希望親自來(lái)北京洽談LED節(jié)能照明的合作事項(xiàng)； 世界LED市場(chǎng)在2011年將全面快速開放，中國(guó)將成為全球最大的制造供應(yīng)地，但依然面臨著自主品牌和技術(shù)支持的生存性問題。 2010年隨著多數(shù)地區(qū)對(duì)傳統(tǒng)白熾燈的強(qiáng)力停止使用后，對(duì)于節(jié)能類的燈具無(wú)疑是打了一劑高劑量的腎上腺素，LED產(chǎn)業(yè)在這些地區(qū)的市場(chǎng)活動(dòng)逐漸活躍。但是面對(duì)消費(fèi)者，LED的問題也被逐漸放大，所以如何教育消費(fèi)者和如何改善品質(zhì)是同等重要的。歐盟在更進(jìn)一步地探討是否要求“無(wú)汞”照明，這將是決定LED燈進(jìn)入家用照明市場(chǎng)時(shí)間表的下一個(gè)重要指標(biāo)，預(yù)計(jì)將在2011年出現(xiàn)決定性的結(jié)論，這值得我們共同關(guān)注。面對(duì)這樣的變化和資訊，我們自己在品牌和規(guī)模這兩項(xiàng)工作上有些落后，全球目前還沒有壟斷型的LED燈大品牌，對(duì)我國(guó)LED企業(yè)來(lái)說是機(jī)遇，但是對(duì)我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)缺乏核心自主產(chǎn)權(quán)和恐懼創(chuàng)立品牌的習(xí)性來(lái)說也是一大危機(jī)。2011年全球LED照明市場(chǎng)的開放度可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)和規(guī)模，這一點(diǎn)非常值得關(guān)注。 除照明外，LED還有背光和顯示兩大區(qū)塊也將會(huì)在2011年出現(xiàn)變化。背光市場(chǎng)隨著顯示屏的面積加大，封裝和背光模組的需求相對(duì)快速增加，這意味著，封裝廠不可避免地將會(huì)進(jìn)入規(guī)模成本和客制技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)白熱化。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的封裝企業(yè)能否有機(jī)會(huì)獲勝、或結(jié)合同行業(yè)強(qiáng)者共同生存，將是前所未有的考驗(yàn)。另外，隨著國(guó)外芯片廠大規(guī)模投資，國(guó)內(nèi)的中上游競(jìng)爭(zhēng)開始，我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)扁平化的問題將更明顯。 全球?qū)ED產(chǎn)業(yè)和其節(jié)能優(yōu)勢(shì)的認(rèn)識(shí)正在逐步提高，LED節(jié)能效率、商品穩(wěn)定性和成本控制將在2011年上半年成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)最大的挑戰(zhàn)。 目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)在上游端的自主技術(shù)尚不完善，LED芯片封裝及電源等元件又將面臨國(guó)際相關(guān)大廠高調(diào)“入侵”的挑戰(zhàn)，技術(shù)門檻瞬間提高帶來(lái)的沖擊，是否會(huì)給國(guó)內(nèi)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和競(jìng)爭(zhēng)模式帶來(lái)結(jié)構(gòu)性的改變，是一個(gè)非常值得關(guān)注的問題。目前國(guó)內(nèi)LED相關(guān)企業(yè)對(duì)于知識(shí)產(chǎn)權(quán)一般都不重視或存在僥幸和觀望的心態(tài)，這一現(xiàn)象不僅令人對(duì)產(chǎn)業(yè)正向發(fā)展產(chǎn)生疑慮，也因?yàn)檫@個(gè)心態(tài)讓企業(yè)無(wú)法痛下決心投資發(fā)展自有技術(shù)。如何善用國(guó)內(nèi)高等研究院校的技術(shù)力量、并將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)能力；企業(yè)如何能夠在與動(dòng)輒擁有數(shù)以千篇封鎖性專利優(yōu)勢(shì)的國(guó)際大廠競(jìng)爭(zhēng)的情況下持續(xù)發(fā)展，這將是國(guó)內(nèi)企業(yè)面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)。相比幾家國(guó)際大廠積極在國(guó)內(nèi)建立大型研發(fā)中心而言，國(guó)內(nèi)企業(yè)經(jīng)營(yíng)者必須把研發(fā)戰(zhàn)略和研發(fā)管理提升為2011年的主要工作，這將比目前許多企業(yè)忙著圈地圈資金投資來(lái)得更為重要。 自電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展以來(lái)，全球產(chǎn)業(yè)龍頭一直是由技術(shù)先進(jìn)的歐美國(guó)家掌控著。龍頭企業(yè)除了在中國(guó)投產(chǎn)加代工外，與中國(guó)并不存在關(guān)鍵技術(shù)合作發(fā)展的關(guān)系。 可以說，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展給了中國(guó)一個(gè)新的契機(jī)，但也帶來(lái)嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)壓力。2011年，國(guó)際LED幾個(gè)龍頭都將會(huì)大力布局中國(guó)投資和市場(chǎng)戰(zhàn)略，中國(guó)區(qū)“大戰(zhàn)”即將打響，科瑞2009年底在惠州落戶、臺(tái)灣晶電在常州設(shè)廠等只是大廠在國(guó)內(nèi)布局體現(xiàn)出來(lái)的冰山一角，日亞化和臺(tái)灣億光這些臺(tái)面上的龍頭大廠無(wú)不積極地在中國(guó)布局，而且這些投資將都是在已經(jīng)擁有下一階段市場(chǎng)掌控下高執(zhí)行力、高效率完成的。而國(guó)內(nèi)企業(yè)尚未解決自身技術(shù)和市場(chǎng)問題卻到處圈地投資，這樣做或許日后可以在土地保值的機(jī)制上有所收益，但是想要成就一個(gè)科技產(chǎn)業(yè)就應(yīng)該要集中資源，包含資金、人才和時(shí)間，專注把自己做強(qiáng)，做不強(qiáng)就先想著做大，這對(duì)科技電子產(chǎn)業(yè)而言反倒是危機(jī)。如何在知名LED企業(yè)高度被信任的品牌優(yōu)勢(shì)下能搶占技術(shù)、市場(chǎng)、人才、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面資源、以及獲得政策傾斜，這些因素才是國(guó)內(nèi)現(xiàn)有中小型LED企業(yè)必須切實(shí)關(guān)注的。然而在這些“大恐龍”開始在國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)的“小龍頭”廠商能否有機(jī)會(huì)出線，我想除了政策扶持的美夢(mèng)外，更應(yīng)武裝好自己、準(zhǔn)備打一場(chǎng)公平競(jìng)爭(zhēng)的硬戰(zhàn)，這才是能否創(chuàng)造中國(guó)乃至華人LED自有品牌的正確思考模式。 2010年第四季度，已經(jīng)不時(shí)傳出有大型LED及相關(guān)電子企業(yè)以上億美元為單位，對(duì)LED產(chǎn)業(yè)進(jìn)行大規(guī)模投資的消息。 2011年這一現(xiàn)象將會(huì)更密集和緊湊地出現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)LED企業(yè)多屬中小型規(guī)模，這些企業(yè)是否可以形成合力對(duì)抗？還是將面臨被擠壓的命運(yùn)？這是需要提早布局和規(guī)劃的事情。過去，芯片和封裝器件多數(shù)是由國(guó)外直接采購(gòu)而來(lái)的，相對(duì)的價(jià)格和供應(yīng)廠之間關(guān)系都比較透明。但是，隨著這些大廠在國(guó)內(nèi)落戶后，供應(yīng)鏈關(guān)系會(huì)形成更緊密的合作和更尖銳的對(duì)立競(jìng)爭(zhēng)。到那時(shí)，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用廠商除了像過去一樣的買貨之外，是否還會(huì)面臨更多的關(guān)系；結(jié)盟、衛(wèi)星集團(tuán)、聯(lián)合支持、聯(lián)合對(duì)抗都是可能面對(duì)的。在缺乏經(jīng)濟(jì)規(guī)模型的橫向產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的問題將隨著2011年大規(guī)模投資進(jìn)入市場(chǎng)得到解決的時(shí)刻，國(guó)內(nèi)中小規(guī)模的LED廠、和缺乏技術(shù)根底轉(zhuǎn)投資的集團(tuán)，都將馬上面臨強(qiáng)大的壓力。隨著這些大型的、真正有量產(chǎn)實(shí)力廠商的投資，地方政策是會(huì)讓市場(chǎng)更加開放？還是更形成保護(hù)，以確保自己區(qū)域的龍頭大廠能做大做強(qiáng)？這是國(guó)內(nèi)體質(zhì)本來(lái)就較弱的企業(yè)應(yīng)該有所警覺和提早規(guī)劃以應(yīng)對(duì)的1。 3 LED結(jié)構(gòu)和發(fā)光原理LED主要由PN 結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。當(dāng)在電極上加上正偏壓之后，電子和空穴對(duì)分別注入P 區(qū)和N 區(qū)。當(dāng)非平衡少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)換為光能。LED 的基本結(jié)構(gòu)是將一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯片的作用，所以LED的抗震性能好。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖： 圖3-1 子彈頭型LED結(jié)構(gòu)圖圖3-2 大功率LED結(jié)構(gòu)圖圖3-1是常見的子彈頭形LED，這是LED的早期產(chǎn)品。其中兩根引線較長(zhǎng)一根為正極，應(yīng)接電源正極。有的子彈頭形LED 兩根引線一樣長(zhǎng)，但管殼上有一凸起的小舌，則靠近小舌的是正極。LED 的發(fā)光體為圖中的LED 芯片，它既是由AlGaAs、AlInGaP 等材料制成2。子彈頭形LED 往往功率較小，通常不需要專門的散熱措施來(lái)維持其工作。圖3-2是大功率LED 的結(jié)構(gòu)2。與子彈頭形LED 相比的主要區(qū)別在于增加了很多散熱措施。圖中的硅基板，粘膠，絕緣層都具有較好的導(dǎo)熱性，散熱片通常使用的是鋁基板，可以散出大量的熱量。金導(dǎo)線導(dǎo)熱導(dǎo)電性能都相當(dāng)好，也能通過這它將部分熱量傳導(dǎo)到周圍線路中散發(fā)掉。LED 芯片是由III-V 族化合物，如GaAs、GaP、GaAsP 等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此，它具有一般PN結(jié)的伏安特性，即正向?qū)?、反向截止、擊穿特性。在正電壓作用下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)的一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光，如圖3-3所示： 圖3-3 LED發(fā)光原理示意圖假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中產(chǎn)生的，那么注入的電子與價(jià)帶直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心(這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、價(jià)帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光的復(fù)合量比例越大，光量子的效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)生的，所以光僅在靠近PN 結(jié)面幾微米以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐證明，發(fā)光的波長(zhǎng)或頻率取決于選用的半導(dǎo)體材料的能隙Eg，Eg 的單位為電子伏(eV)。 Eg = hv / q = hc /(q) (2-1) = hc /(qE ) =1240 / E (nm) (2-2)式中：v 為電子運(yùn)動(dòng)速度；h 為普朗克常數(shù)；q 為載流子所帶電荷；c 為光速； 為發(fā)光波長(zhǎng)。若能產(chǎn)生可見光(波長(zhǎng)范圍380780nm)，則半導(dǎo)體材料的Eg 應(yīng)在1.633.26eV 之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。現(xiàn)在有紅外、紅光、黃光、綠光及藍(lán)光LED，其中藍(lán)光LED 的成本很高，應(yīng)用不普遍。PN結(jié)的端電壓構(gòu)成一定的勢(shì)壘；當(dāng)加正向偏置電壓時(shí)勢(shì)壘下降，P區(qū)和N 區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散3。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以出現(xiàn)大量電子向P 區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放出去。這就是PN結(jié)發(fā)光的原理。4 LED的主要參數(shù)與特性LED的電學(xué)特性(1)Iv特性Iv特性是表征LED芯片PN結(jié)性能的主要參數(shù)。LED的I_v特性具有非線性和單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)為低電阻，反之為高電阻。如圖2-4所示。 圖2-4 I-V特性曲線正向死區(qū)(圖ob或Ob段)a點(diǎn)對(duì)于vo為開啟電壓，當(dāng)Vo時(shí)，VvF的正向工作區(qū)，IF隨VF指數(shù)上升 反向死區(qū)：V0時(shí)PN結(jié)加反向偏壓；V=-VR時(shí)，反向漏電流IR(V=5V)時(shí)，GaP為0V，GaN為10uA。反向擊穿區(qū)：vVR，VR稱為反向擊穿電壓。與VR對(duì)應(yīng)的電流IR為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加到使V一vR時(shí)，IR將突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同。各種LED的反向擊穿電壓vR也相同。（2）C-V特性LED 芯片有多種規(guī)格，而對(duì)應(yīng)的PN 結(jié)面積也大小不一，而其結(jié)電容(零偏壓)Cn+pF4。LED 的CV 特性呈二次函數(shù)關(guān)系，如圖2-5所示(由1MHz 交流信號(hào)用CV 特性測(cè)試儀測(cè)得)。 圖2-5 LED的C-V特性曲線(3) 響應(yīng)時(shí)間LED 的響應(yīng)時(shí)間是標(biāo)志反映速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其是在脈沖驅(qū)動(dòng)或電壓調(diào)制時(shí)顯得非常重要。響應(yīng)時(shí)間是指輸入正向電流后LED開始發(fā)光(上升)和熄滅(衰減)的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間用于表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢LCD(液晶顯示)的響應(yīng)時(shí)間為10-310-5s，CRT、PDP、LED 的響應(yīng)時(shí)間都達(dá)10-610-7s(s 級(jí))。LED的上升時(shí)間隨著電流的增大近似地按指數(shù)規(guī)律衰減。直接躍遷的材料(比如GaAs1-xPx)的響應(yīng)時(shí)間僅為幾納秒，而間接躍遷材料(如GaP)的響應(yīng)時(shí)間則僅僅是100ns。LED可利用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可高達(dá)幾十兆赫。這種直接調(diào)制技術(shù)使LED在相位測(cè)距儀，能見度儀及短距離通信中得到應(yīng)用。從使用角度看，響應(yīng)時(shí)間就是LED 點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間，如圖2-6中的tr、tf。中的t0 值很小，可忽略。LED 的響應(yīng)時(shí)間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗4。 圖2-6 LED的響應(yīng)時(shí)間示意圖LED 的點(diǎn)亮?xí)r間(及上升時(shí)間)tr 是指從接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常值的10%開始，一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。LED 的熄滅時(shí)間(即下降時(shí)間)tf 指的是從正常發(fā)光到發(fā)光亮度減弱至原來(lái)的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。用不同的材料制得的LED 的響應(yīng)時(shí)間各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs 的響應(yīng)時(shí)間小于10-9s，GaP 為10-7s，因此它們可用于10100MHz 的高頻系統(tǒng)。2.2.2 LED的光學(xué)特性LED 有紅外光和可見光兩個(gè)系列，非可見光系列LED可用輻射量來(lái)度量其光學(xué)特性。(1) 發(fā)光法向光強(qiáng)及其分布角 ILED 的光強(qiáng)用于表征它在某個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)弱，由于LED 在不同的空間角度上光強(qiáng)相差很多，隨之而來(lái)人們研究了LED 的光強(qiáng)分布特性。此參數(shù)具有很大的意義，直接影響到LED 顯示裝置的最小觀察角度【3】。發(fā)光強(qiáng)度(法向光強(qiáng))表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)度的重要性能。有的LED 采用的是圓柱形、圓球形封裝，由于凸透鏡的作用，通常具有很強(qiáng)的指向性，而以法向方向上的光強(qiáng)最大，其與水平面的交角為90。當(dāng)偏離正法向方向不同角度時(shí)，光強(qiáng)也隨之變化。將發(fā)光強(qiáng)度按偏離法向方向的角度表示在圖2-7中就可以得到光強(qiáng)分布圖。 圖2-7 某種LED發(fā)光強(qiáng)度角分布圖發(fā)光強(qiáng)度的角分布用于描述LED 在空間各個(gè)方向上的光強(qiáng)分布，上圖就是一種LED 的發(fā)光強(qiáng)度的角分布圖18。它主要取決于封裝的工藝(包括支架、模粒頭以及環(huán)氧樹脂中是否添加散射劑)。為獲得高指向性的的角分布，可以使LED 的管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)一些，使用子彈頭形的模粒頭，且在LED 的環(huán)氧樹脂中不添加散射劑。這樣可以使LED 的散射角為6左右，大大提高了指向性。常用的圓形封裝的LED 的散射角為5、10、30、45。 （2）光通量、發(fā)光效率與照度輻射能量頻譜中只有可見光范圍(380780nm)的電磁輻射才能起到照明作用。而人眼對(duì)于可見光范圍內(nèi)不同電磁波的響應(yīng)是不同的，例如對(duì)于輻射強(qiáng)度相同的紅光和綠光，人眼會(huì)明顯感覺綠光較亮。所以