固態(tài)照明中白光LED的發(fā)展和應(yīng)用

作者：時(shí)間：2011-12-29 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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Ⅰ引言
LED就是常說(shuō)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(shí)日，藍(lán)、綠、紅三色LED之用于大屏幕彩色顯示及交通訊號(hào)指示已有20多年歷史并取得了極大成功。近10年來(lái)LED在汽車尾燈以及其他幾乎所有信號(hào)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(yù)為21世紀(jì)新光源。

在LED特別是白光LED的發(fā)展過(guò)程中其理論的或估計(jì)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(guó)家的照明用電占發(fā)電總量的約13~14%，所耗費(fèi)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(duì)節(jié)能減排將會(huì)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(duì)此是極為敏感、明智而果斷的，因?yàn)槿毡緡?guó)小民稠工業(yè)發(fā)達(dá)，資源貧乏。即使是國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值和資源消耗均為世界第一的美國(guó)也繼之采取了政府行為，對(duì)SSL給予大力的政策和財(cái)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(guó)也難以承受。隨后歐美各國(guó)和我國(guó)都紛紛警覺并給予SSL以大力支持包括財(cái)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(shí)取得了不少成績(jī)，但同時(shí)把SSL看成是一種商機(jī)的各色人等則乘機(jī)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(guó)電光源會(huì)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(wú)盡的質(zhì) 疑。

SSL是一個(gè)系統(tǒng)工程，白光LED的照明前景是無(wú)庸置疑的，很多白光LED的開拓者正在為此付出辛勤勞動(dòng)，并且正在一個(gè)一個(gè)地解決尚待解決的問(wèn)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(lái)愈近了。

彩色LED的發(fā)展已臻完備，無(wú)論發(fā)光效率，壽命以及實(shí)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(tái)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(guó)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(shí)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(guò)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(jì)復(fù)雜，而且照度仍然不夠。再一個(gè)原因是白光LED運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)阻抗降低發(fā)光特性也將變化，發(fā)光效率也會(huì)降低，加以在高溫長(zhǎng)期烘烤下熒光粉光衰較快，數(shù)個(gè)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(jì)要求。

數(shù)年前的汽車展覽會(huì)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(lái)的現(xiàn)實(shí)性，并因此激勵(lì)同行們矢志不渝地去努力實(shí)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(shí)我們必須慎重而冷靜地加以對(duì)待，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到所有這些還不是目前的實(shí)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(shì)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(shì)能不同，n型半導(dǎo)體施主(雜質(zhì))能級(jí)上的電子進(jìn)入p型半導(dǎo)體的受主能級(jí)，使交界面勢(shì)壘變化，平衡時(shí)二者的費(fèi)米能級(jí)VF相平，電荷轉(zhuǎn)移停止，形成如Fig.1所示勢(shì)壘，該勢(shì)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(jí)躍遷到原本是空帶的導(dǎo)帶中形成的自由電子)無(wú)法越過(guò)阻擋層勢(shì)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(shí)，n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子將越過(guò)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(shì)能立即降低，釋出的全部勢(shì)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(shì)能差V決定了發(fā)射光的頻率