介紹：LED已經成為一種關鍵的照明技術，用途廣泛。自發明伊始 ，LED就被應用在包括手表、計算器、遙控器、指示燈在內的各種常見產品和家用設備。LED技術發展迅速，隨著亮度和效率的不斷提高，新的應用更是層出不窮。
>> LED歷史
自20世紀初期，科學家們就不斷尋找能夠發光的各種物質。1907年，亨利·約瑟夫·讓德發現碳化硅（SiC）能夠發光。在接下來的50年中，不斷有科學家發現能夠發光的化合物。到了20世紀50年代，隨著對砷化鎵（GaAs）研究的不斷深入，LED的發現終于水到渠成。1
貝爾實驗室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世紀60年代首先開始了LED的研究。惠普和孟山都最先在1968年推出了基于鎵砷磷的商用紅光LED。在70年代早期，隨著德州儀器、惠普和Sinclair等公司推出計算器和電子表等全新的產品，LED應用暴增。其它諸如指示燈和字母數字顯示器等應用很快成為LED的主流應用，并延續至今。2
>> LED技術背景
顧名思義，LED就是會發光的二極管。二極管是最基本的半導體組件，其作用是在一定可控的范圍內導電。最簡單的二極管由電的不良導體構成，并對其進行改性（摻雜）以增加自由電子。高電子含量材料（稱為N型材料）與低電子含量材料（稱為P型材料）相連，為自由電子流動建立了通路。這個連接被稱為PN連接。
LED就是擁有PN連接的二極管半導體，在通電后釋放光子。該過程被稱為注入發光，發生于電子從N型材料填充到P型材料低能量孔的過程中。高能電子進入低能量孔時會釋放能量，產生光子。P型和N型材料層所使用的材料，以及兩者之間的間距決定了生成光線的波長和能量水平。
有多種材料可以用來生產LED，而目前比較普遍的應用是砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)和氮化銦鎵(InGaN)。磷化鋁銦鎵一般用來產生紅光和黃光；而氮化銦鎵一般用來產生藍光和綠光——這些材料生成的光子都在可視光譜之內。結合新的生產架構，它們可以被做成極亮的LED，用于一般照明和汽車照明。一些架構開始應用額外的磷化物以生成白光，憑借極低的能量消耗和更長的壽命與普通白熾燈和熒光燈展開競爭。
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全球LED產量已達每月40億只左右，主要生產廠商集中在臺灣、日本和美國，而臺灣地區以占全球總產量50%的份額居于首位。多數廠家只是對LED晶粒進行封裝，只有少數幾家有能力實際生產LED晶粒。圖1描述了LED市場中低亮度和高亮度LED各自所占的份額。 |
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圖 1 – LED市場細分 |
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>> LED技術突破
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近來晶粒材料和封裝生產方面的創新使LED亮度達到極高水平。基板使用了新的材料，提高了導熱性能，從而吸收更多的能量，發出更亮的光。亮度的提升帶來了新的LED應用，如汽車照明、交通信號，以及最新的電視顯示屏。圖2描述了新的架構。 |
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圖 2 – 基本LED構造 |
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| 磷化鋁銦鎵和氮化銦鎵生產水平的顯著提升使藍光和綠光的亮度分別得以提高，而其它顏色（如琥珀和青色）也隨即問世。這些改進使整個系統能以等同于利用普通燈泡技術的亮度忠實地再現色彩，且壽命更長。其它的性能改進包括系統層的特性，如瞬時顯像，無水銀，無色彩刷新偽像，動態可調亮度，以及更寬的色域。圖3將LED和通用參考標準 (Rec. 709)的色域范圍作了比較。 |
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圖3 – LED色域 |
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LED照明的色域非常寬（比高清電視的色彩標準[Rec. 709]寬40%），因而色彩的忠實度更高。對于壽命和色彩還原度都有極高要求的電視機產品而言，LED技術尤其具有吸引力。隨著LED技術的持續發展，其對于電視機產業的影響也與日俱增。圖4描述了LED技術的演進，以及未來幾年的亮度效率。 |
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圖4 – 照明技術演進 |
>> LED技術挑戰
控制LED晶粒的熱穩定性是LED發旋旋光性能和穩定性的關鍵所在。LED架構發出的漫射光從PN結構的表面和四周射向各個方向（在180度空間內均勻分布）。盡管這看起來效率很高，但實際上大部分光都被鄰近的晶粒、基板，或者其它LED表面吸收了。這一吸收造成了整個LED裝置熱負荷的增加。為了獲得最大的光輸出和可靠性，熱的問題必須妥善處理。此外，對于需要將光能集中到小型顯示設備（如DLP® 高清電視）成像的應用而言，任何超出系統光學徑角的光都不可用，且還有可能造成熱度并增加系統能耗。因此, 控制對光的吸收，將光的發散形狀和系統的光學徑角相對應并提升熱效率，將熱從晶粒中發散出去，對于提高LED的產出和可用性都至為關鍵。
對于傳統的應用而言，LED一般以連續波的模式驅動（100%負載循環）。但對高亮度應用而言，這一模式并沒有優勢。由于PN連接的平均溫度決定了LED的輸出亮度和壽命，因此需要以較小的負載循環來驅動LED。負載循環小了之后，LED的電流負載可以更高，并在PN連接平均溫度較低的情況下增加光的輸出。實現這一點的挑戰在于，驅動電路必須能產生快速變換的波形，在幾個微秒之內交換極大的電流。這對于LED電源驅動器的設計無疑是一個挑戰。不過解決方案已經被設計出來，可以輕易地解決這一難題。
更高的溫度負載帶來的另一個挑戰是色移。隨著PN連接溫度的變化，輸出光線的波長會發生10nm以上的偏移。這一色移不僅會影響該顏色的色點，還會影響到整個系統的白點，因為白色是由各種顏色混合而成的。為了從根本上解決色移的問題，LED必須以較低的功率運行，或保持極高的熱穩定性。不過隨著對系統反饋的回應，以及恰當的電源控制演算，現今的技術已經可以在維持高亮度效率的同時實現白色的穩定性。
>> 使用LED照明的DLP®電視
德州儀器已經開發出了充分利用LED照明技術優勢的DLP® 高清電視，其亮度性能已經能與基于燈泡的系統相媲美。通過使用新一代的高亮度LED，實施獨特的反饋系統，DLP® 高清電視已經能夠充分利用LED照明的優勢。圖5描述了該系統的基本光學結構。
通過獨特的反饋算法，德州儀器證明了任何可能影響白點的色移都可以被控制在不為肉眼察覺的范圍內。
目前，運用LED技術的DLP® 產品都使用了德州儀器的DSP部件實時處理系統信息，在廣大的操作溫度范圍內提供穩定性，并最大化亮度和可靠性。 |
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圖5–DLP® 高清電視LED架構
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>> DLP® 產品性能優勢
LED技術的快速交換能力與DLP® 技術的快速交換性能天衣無縫的互相搭配。利用DMD和LED的高速性，色彩的刷新率遠遠高過現有設計水平；色彩的隨意排列也成為可能。最終，圖像色深更大，動態效果更佳， 亮度亦更高。增加LED的交換頻率可以實現更大的能源驅動，并減小PN連接的熱負荷。DLP® 技術的快速交換能力充分利用LED新開發的色彩，通過單個DMD設備實現多重色彩配置，從而獲得更大靈活性。在DLP® 系統中，LED 無需極化，只要將光精確地從DMD鏡面反射出去。光線按需取用，效率極高，使亮度和系統的效率達到最大，并減少發熱。最終的結果是系統的成本降低，亮度提高，色域加寬，遠遠超越利用普通照明源的傳統系統。
>> 結論
隨著LED技術不斷提高亮度和穩定性，LED照明很可能成為未來多項應用的主流光源。今后的技術發展將進一步利用LED快速交換能力以提升視頻的性能和對比度，而無需通過光電機械部件；生成的可調節色域將遠遠超過傳統照明源。新產品將很快獲益于上述基本性能，提供全新的獨特設計——包括瞬時顯像，更佳的色彩，以及經由DLP® 微鏡陣列的高速響應帶來的更佳圖像質量。隨著LED和DLP® 技術雙劍合璧，DLP® 高清電視的性能和可靠性甚至將大大超越現有的DLP® 高清電視產品。
參考文獻
1 網絡文摘, “A brief history of the
Light Emitting Diode (LED)”, http://www.wavicle.biz/led_history.html, Wavicle LED Lighting Technology, 2002.
2 “LEDs Are Still Popular (and Improving) after All These Years”, http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1883, Dallas Semiconductor / MAXIM-IC, Application Note 1883, February 2003.
3 LEDs 2005, October 2005, San Diego, California, USA.
4 LUMILEDS, Nanoscience and Solid State Lighting, Department of Energy
Nanosummit, M.G. Craford, June 2004, Washington, D.C., USA.
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LED電視：技術概覽及DLP® 的優勢