固態(tài)照明中白光LED的發(fā)展和應(yīng)用

Ⅰ引言
LED就是常說的發(fā)光二極管，現(xiàn)在其中文名稱似已被棄，幾乎人人都稱之為LED了。LED及與之相應(yīng)的固態(tài) 照明(SSL)膾炙人口，已有時日，藍(lán)、綠、紅三色LED之用于大屏幕彩色顯示及交通訊號指示已有20多年歷史并取得了極大成功。近10年來LED在汽車 尾燈以及其他幾乎所有信號指示方面都取得了輝煌的幾乎是壟斷性進(jìn)展。

在彩色LED發(fā)展的基礎(chǔ)上白光LED受到了很大的重視，SSL是在白光LED的基礎(chǔ)上發(fā)展的，白光LED已被譽為21世紀(jì)新光源。

在LED特別是白光LED的發(fā)展過程中其理論的或估計的發(fā)光效率和超常壽命令人神往，而美好的節(jié)能環(huán)保照明前景不僅使專家們?nèi)缱砣绨V地執(zhí)著探求，并引起 了政府的重視和支持。目前發(fā)達(dá)國家的照明用電占發(fā)電總量的約13~14%，所耗費的能源及產(chǎn)生產(chǎn)的溫室氣體排放和其他污染是極為可觀的，如能在綠色照明方 面有所進(jìn)展，對節(jié)能減排將會產(chǎn)生巨大成效。

上世紀(jì)90年代中葉白光LED嶄露頭角的初期，日本政府率先大力資助研究部門和工業(yè)界 研發(fā)白光LED及照明，他們對此是極為敏感、明智而果斷的，因為日本國小民稠工業(yè)發(fā)達(dá)，資源貧乏。即使是國民經(jīng)濟總產(chǎn)值和資源消耗均為世界第一的美國也繼 之采取了政府行為，對SSL給予大力的政策和財政支持，可見目前的巨大能源消耗和環(huán)保支出已使得如此富有的美國也難以承受。隨后歐美各國和我國都紛紛警覺 并給予SSL以大力支持包括財政支持。

專家們和工業(yè)界的努力加上政府的支持，在上世紀(jì)90年代末期白光LED的研發(fā)進(jìn)入高峰，并 確實取得了不少成績，但同時把SSL看成是一種商機的各色人等則乘機炒作，使之變得十分狂熱，什么21世紀(jì)初LED必將大比例全面取代白熾燈、節(jié)能燈及其 他常規(guī)照明光源。2006年的全國電光源會議上某海歸博士“LED專家”聲稱“2010年LED必將全面取代緊湊型熒光燈……”，他的高論遭到無盡的質(zhì) 疑。

SSL是一個系統(tǒng)工程，白光LED的照明前景是無庸置疑的，很多白光LED的開拓者正在為此付出辛勤勞動，并且正在一個一個地解決尚待解決的問題，使得白光LED離直接大規(guī)模用于常規(guī)照明的距離愈來愈近了。

彩色LED的發(fā)展已臻完備，無論發(fā)光效率，壽命以及實際應(yīng)用已甚為普及，在使用中顯示出了它的優(yōu)越性能。白光LED的發(fā)展也已取得很大進(jìn)展，但其照明應(yīng) 用仍主要限于臺燈、手電筒之類小范圍局部照明，白光LED的樣板照明工程包括室內(nèi)甚至道路照明，數(shù)年前就已經(jīng)涌現(xiàn)，目前我國很多城市的光伏照明樣板工程中 都已采用了白光LED，而且呼聲最高，但是實際照明效果并不理想，其主要原因是：白光LED的單燈功率太小，光通量過低，為滿足照明要求必須采用大量 LED組合，這樣不僅成本很高，燈光設(shè)計復(fù)雜，而且照度仍然不夠。再一個原因是白光LED運轉(zhuǎn)時其發(fā)光中心—p-n結(jié)溫度很高，如所周知任何半導(dǎo)體發(fā)光器 件在p-n結(jié)溫度升高時阻抗降低發(fā)光特性也將變化，發(fā)光效率也會降低，加以在高溫長期烘烤下熒光粉光衰較快，數(shù)個月后白光LED輻射的光通量將大幅下降， 照度相應(yīng)降低，光線昏暗，達(dá)不到設(shè)計要求。

數(shù)年前的汽車展覽會上已展出了采用白光LED作前大燈的概念車，此后也出現(xiàn)了少量以白光LED作前大燈的樣板轎車。

所有這些樣板工程和樣板車不僅給人們展示了這種可能，而且證明了其前景和未來的現(xiàn)實性，并因此激勵同行們矢志不渝地去努力實現(xiàn)這一宏大而光輝的目標(biāo)。但 是在展示了SSL如此美好前景的同時我們必須慎重而冷靜地加以對待，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到所有這些還不是目前的實際，還不能大面積推廣。

Ⅱ LED的發(fā)光原理

如所周知LED就是發(fā)光二極管，是由某些種類半導(dǎo)體發(fā)光材料摻雜使之成為n型(負(fù)型或電子型)和p型(正型或空穴型)半導(dǎo)體Fig.1(a)，二種半導(dǎo)體的交界面上形成阻擋層(p-n結(jié))，其能帶結(jié)構(gòu)和p-n結(jié)勢壘圖示如Fig.1(b)。

p型和n型半導(dǎo)體交合的p-n結(jié)附近由于電子勢能不同，n型半導(dǎo)體施主(雜質(zhì))能級上的電子進(jìn)入p型半導(dǎo)體的受主能級，使交界面勢壘變化，平衡時二者的費米能級VF相平，電荷轉(zhuǎn)移停止，形成如Fig.1所示勢壘，該勢壘區(qū)域就是所述p-n結(jié)。

正常情況下n型半導(dǎo)體中的自由電子(從施主能級躍遷到原本是空帶的導(dǎo)帶中形成的自由電子)無法越過阻擋層勢壘進(jìn)入p型半導(dǎo)體，但當(dāng)在p-n結(jié)二側(cè)施加電壓并 使n型半導(dǎo)體為正，p型半導(dǎo)體為負(fù)時，n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子將越過阻擋層進(jìn)入p型半導(dǎo)體并與其中的空穴復(fù)合(載流子復(fù)合)電子勢能立即降低，釋出的 全部勢能以光子的形式向外輻射(復(fù)合發(fā)光)，如果光子能量正好在可見光范圍則此種半導(dǎo)體器件就成了可見光LED。

構(gòu)成LED的半導(dǎo)體的阻擋層二側(cè)的勢能差V決定了發(fā)射光的頻率

或發(fā)射光的波長為

式中C為光速C=3×108cm/秒，h為布朗克常數(shù) h=6.624.10-27爾格/秒
e為電子電荷 e=4.88.10-10靜電單位，V為p-n結(jié)電勢差，單位為靜電伏特。

以上參數(shù)均采用c.g.s制單位，若將以上數(shù)據(jù)代入該方程式并轉(zhuǎn)換為實用單位則得λ=1.233/V μm

式中V的單位為實用單位伏特