半導體熒光燈原理簡介

摘要：目前我們使用的白色LED的實質是半導體熒光燈，它的基本特性和普通熒光燈一致，它的性能指標遠比我們的期望值要差許多，不可以將其神化，半導體熒光燈，應該走下神壇。LED和半導體熒光燈在概念上的混肴已經給我國的照明產業(yè)造成了巨大的損失，這種現象不能再繼續(xù)下去了。真正白色LED還有漫長的路要走，切勿浮躁。

　追求高效節(jié)能，綠色環(huán)保和顯示性好的電光源是科技界持之以恒的目標。從上個世紀60年代開始，LED以驚人的時代得到迅速發(fā)展，特別是進入21世紀以后，LED的發(fā)展取得了更加令人鼓舞的成就。LED在顯示屏、信號燈、液晶背光源以及取代其他小功率光源上，和其他電光源比上體現出無可比擬的優(yōu)越性。但是，在目前白顏色大功率LED的發(fā)展上，混肴了普通LED和白顏色LED之間的基本屬性，錯誤的把普通LED的優(yōu)點轉移白顏色LED上，誤認為白顏色LED的使用壽命、發(fā)光效率能夠和普通LED一樣，過高估計了它的光效，在電光源領域神化了其功能，似乎只要用了LED 就是高科技，LED 可以解決一起照明問題;使用LED的項目就能夠得到政府的支持，不使用LED的項目就不能夠得到政府的支持;忽略了白顏色LED是半導體熒光燈的基本實質。下面我們簡單介紹目前白顏色LED(半導體熒光燈)的發(fā)光機理。

圖1 白顏色LED(半導體熒光燈)的發(fā)光機理

　　從圖1可以看到白顏色LED(半導體熒光燈)是由藍光PN結周圍的熒光粉發(fā)出的白光，通常熒光燈是由燈管內的紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光的，在發(fā)光原理上它們完全一致，如圖2所示，區(qū)別在于普通熒光燈的燈絲由藍光PN結取代。圖3(c)指示出它的工作原理。另外還有通過紫外線LED激發(fā)熒光粉產生白光的半導體熒光燈，如圖3(b)所示。

圖2 普通熒光燈的發(fā)光原理

　　LED和目前我們使用的白熾燈、氣體放電燈的發(fā)光原理迥然不同。LED的自發(fā)性發(fā)光是由于電子和空穴的復合而產生的，這種半導體P-N結的電致發(fā)光機理決定了它發(fā)出的是單色光，而不可能產生具有連續(xù)譜線的白光，用單只LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光。如果需要LED產生白光，只可能先讓LED發(fā)出藍光，然后利用熒光粉間接產生寬帶光譜，合成白光。
　將某種形式的能量轉化為光能的過程是一種量子轉換過程遵守能量守衡定律。發(fā)光過程中的量子效率、量子提取率以及輻射光子的能譜決定了該過程的光效。白光光源運轉時所經歷的量子轉換過程愈多、能量的損失愈大，光效必將降低。

　　LED發(fā)光時載流子復合過程的量子轉換效率雖然很高。但是必需利用熒光粉進行第二次量子轉換才能轉化為白光LED，因而量子效率和量子提取率大為降低，使白光LED光效提高受到限制。

　　各類熒光燈包括高頻無極熒光燈雖都屬低氣壓放電燈，高效率的利用汞的諧振輻射將電能轉化為輻射能量，但是由于這種諧振譜線處在紫外區(qū)，必須利用熒光粉進行第二次量子轉換才能變成可見光，而第二次量子轉換效率只有46%、而熒光粉吸收又使量子提取率下降，所以連續(xù)二次的量子轉換過程使熒光燈的光效限制在90～100 lm/W左右，按目前的結構和材料其極限很難超過120 lm/W。

　　還有一點值得注意的是常規(guī)光源的發(fā)光中心處于燈的中央，光輻射在4π立體角中均勻分布，與照射空間一致，量子提取率近于100%。LED是一種平面固體光源，只有外向(2π立體角或更小角度)的光子能夠出射，所以常規(guī)LED 的50%的內向輻射光子大部分消失在芯片內部發(fā)熱，量子提取率很低;LED的輸出窗為多層不同的固體介質，粒子密度很大，光子在其中傳播時吸收系數較大，不同介質層交界面處的反射亦使其量子提取率降低。當前結構的LED的這些特點是無法改變的，因此光效的提高受到了限制。不要幻想白光LED的光效能提高到140lm/W以上，除非是單色黃光LED或另一種全新結構的LED，例如：如能開發(fā)一種三能級(紅綠藍)型LED，這種LED的n型半導體或p型半導體中有三個以上不同施主能級或受主能級存在，當載流子復合時直接產生適當比例的紅、綠、藍三色光子因而直接發(fā)射白光。省去熒光粉的第二次量子轉換過程當可使LED光效得到較大提高。但是LED單側發(fā)光的特點是無法改變的，限制光效大幅提高的這一因素只能設法降低，不能完全取消。

　　降低白光LED光譜中的藍光成分是十分必要的，雖然這將降低它的光效，過多的藍光易造成視覺疲勞且傷及視見膜。在這一點得到改進以前很難大規(guī)模進入家庭與緊湊型熒光燈競爭。

　　從任何一個角度分析目前這種結構的白光LED(半導體熒光燈)的最高光效決不可能超過140lm/W。據測試，當前市售白光LED(半導體熒光燈)的最大總光子轉換效率約在15～25%之間，光效約為45～80 lm/W，穩(wěn)定工作時實際光效常常都在60 lm/W以下。白光LED(半導體熒光燈)的光效已經達到160lm/W或200lm/W的報導是不可靠，或許他們的測試出了差錯，至于400lm/W的預言對于白光LED(半導體熒光燈)是荒唐的、即使對中心發(fā)射波長為555的黃光LED也失之過高。

　　未來真正的白光LED應該是將紅、綠、藍或者更多顏色LED芯片封裝在一起，產生白顏色光的白光LED，它將省去熒光粉的二次發(fā)光的轉換過程，光效提高15%以上，效率可以達到150-160Lm/W，同時減少了有害的藍光;光衰和芯片發(fā)熱問題得到改善，這種真正的白光LED目前還有許多技術瓶頸，解決這些技術難題還需要比較長的時間。圖3(a)指示的是這種方法。