半導(dǎo)體熒光燈原理簡介

摘要：目前我們使用的白色LED的實質(zhì)是半導(dǎo)體熒光燈，它的基本特性和普通熒光燈一致，它的性能指標(biāo)遠(yuǎn)比我們的期望值要差許多，不可以將其神化，半導(dǎo)體熒光燈，應(yīng)該走下神壇。LED和半導(dǎo)體熒光燈在概念上的混肴已經(jīng)給我國的照明產(chǎn)業(yè)造成了巨大的損失，這種現(xiàn)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(biāo)。從上個世紀(jì)60年代開始，LED以驚人的時代得到迅速發(fā)展，特別是進(jìn)入21世紀(jì)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(xiàn)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(zhuǎn)移白顏色LED上，誤認(rèn)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(lǐng)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(dǎo)體熒光燈的基本實質(zhì)。下面我們簡單介紹目前白顏色LED(半導(dǎo)體熒光燈)的發(fā)光機(jī)理。

圖1 白顏色LED(半導(dǎo)體熒光燈)的發(fā)光機(jī)理

　　從圖1可以看到白顏色LED(半導(dǎo)體熒光燈)是由藍(lán)光PN結(jié)周圍的熒光粉發(fā)出的白光，通常熒光燈是由燈管內(nèi)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(lán)光PN結(jié)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(chǎn)生白光的半導(dǎo)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(fù)合而產(chǎn)生的，這種半導(dǎo)體P-N結(jié)的電致發(fā)光機(jī)理決定了它發(fā)出的是單色光，而不可能產(chǎn)生具有連續(xù)譜線的白光，用單只LED也不可能產(chǎn)生兩種以上的高亮度單色光。如果需要LED產(chǎn)生白光，只可能先讓LED發(fā)出藍(lán)光，然后利用熒光粉間接產(chǎn)生寬帶光譜，合成白光。
　將某種形式的能量轉(zhuǎn)化為光能的過程是一種量子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時所經(jīng)歷的量子轉(zhuǎn)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(fù)合過程的量子轉(zhuǎn)換效率雖然很高。但是必需利用熒光粉進(jìn)行第二次量子轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行第二次量子轉(zhuǎn)換才能變成可見光，而第二次量子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程使熒光燈的光效限制在90～100 lm/W左右，按目前的結(jié)構(gòu)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(nèi)向輻射光子大部分消失在芯片內(nèi)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(zhì)，粒子密度很大，光子在其中傳播時吸收系數(shù)較大，不同介質(zhì)層交界面處的反射亦使其量子提取率降低。當(dāng)前結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的LED，例如：如能開發(fā)一種三能級(紅綠藍(lán))型LED，這種LED的n型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體中有三個以上不同施主能級或受主能級存在，當(dāng)載流子復(fù)合時直接產(chǎn)生適當(dāng)比例的紅、綠、藍(lán)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(zhuǎn)換過程當(dāng)可使LED光效得到較大提高。但是LED單側(cè)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(shè)法降低，不能完全取消。

　　降低白光LED光譜中的藍(lán)光成分是十分必要的，雖然這將降低它的光效，過多的藍(lán)光易造成視覺疲勞且傷及視見膜。在這一點得到改進(jìn)以前很難大規(guī)模進(jìn)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(jié)構(gòu)的白光LED(半導(dǎo)體熒光燈)的最高光效決不可能超過140lm/W。據(jù)測試，當(dāng)前市售白光LED(半導(dǎo)體熒光燈)的最大總光子轉(zhuǎn)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(dǎo)體熒光燈)的光效已經(jīng)達(dá)到160lm/W或200lm/W的報導(dǎo)是不可靠，或許他們的測試出了差錯，至于400lm/W的預(yù)言對于白光LED(半導(dǎo)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(yīng)該是將紅、綠、藍(lán)或者更多顏色LED芯片封裝在一起，產(chǎn)生白顏色光的白光LED，它將省去熒光粉的二次發(fā)光的轉(zhuǎn)換過程，光效提高15%以上，效率可以達(dá)到150-160Lm/W，同時減少了有害的藍(lán)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(shù)瓶頸，解決這些技術(shù)難題還需要比較長的時間。圖3(a)指示的是這種方法。