LED光源的發(fā)光機理簡介

2010年5月7日-12日，河南省照明學會組織照明專家及企業(yè)家一行赴日考察了日本照明現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)日本的LED照明現(xiàn)狀并不盡如人意。

近年來，在照明領(lǐng)域最引人關(guān)注的事 件是半導體照明的興起。20世紀90年代中期，日本日亞化學公司的Nakamura等人經(jīng)過不懈努力，突破了制造藍光發(fā)光二極管（LED）的關(guān)鍵技術(shù)，并由此開發(fā)出以熒光材料覆蓋藍光LED產(chǎn)生白光光源的技術(shù)。

led是LightEmittingDiode(發(fā)光二極管)的縮寫。發(fā)光二極管是一種新型固態(tài)冷光源，LED的最顯著特點是使用壽命長，光電轉(zhuǎn)換效能高、抗震性能好、使用方便等優(yōu)點，在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。在同樣照度下，LED燈的電能消耗和壽命比白熾燈和日光燈都有明顯的優(yōu)勢。

各種白色發(fā)光方法的開發(fā)，以及新一代熒光粉的開發(fā)，已經(jīng)使得LED的發(fā)光效率大幅提高，目前產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品已從45lm/w提高到100lm/w(到2009年，Cree公司的冷白光光效在350mA時已經(jīng)超過100lm/W，而暖白光也超過75lm/W)，研究水平160lm/w，目標最高水平期望達200lm/w以上。壽命4萬小時至8萬小時。

一、LED光源的發(fā)光機理

與白熾燈或者氣體放電燈的發(fā)光原理迥然不同。LED自發(fā)性的發(fā)光是由于電子與空穴的復合而產(chǎn)生的。

LED是由P型半導體形成的P層和N型半導體形成的N層，以及中間的由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光區(qū)，利用外電源向PN結(jié)注入電子，在正向偏壓作用下，N區(qū)的電子將向正方向擴散，進入有源層，P區(qū)的空穴也將向負方向擴散，進入有源層，電子與空穴復合時，將產(chǎn)生自發(fā)輻射光，見圖1。LED因其使用的材料不同，其二極管內(nèi)中電子、空穴所占的能階也有所不同，能階的高低差影響結(jié)合后光子的能量而產(chǎn)生不同波長光，也就是不同顏色的光，如紅、橙光、黃、綠、藍或不可見光等。

二、白光LED

白光LED的出現(xiàn)為越來越多的室內(nèi)室外照明工程提供了白光LED半導體照明。白光LED的光效等都有了長足的進步，白光LED甚至已經(jīng)開始挑戰(zhàn)傳統(tǒng)光源的地位。

目前獲得白光LED主要有兩個途徑：第一個是通過熒光粉轉(zhuǎn)換得到白光；第二個是把不同顏色的LED芯片封裝到一起，多芯片混合發(fā)出白光。對于上述兩種途徑，根據(jù)參與混合白光的基色光源的數(shù)目，又可分為二基色體系和多基色體系。

熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED

(1)二基色熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED

二基色白光LED是利用藍光LED芯片和YAG熒光粉制成的。一般使用的藍光芯片是InGaN芯片，另外也可以使用AlInGaN芯片。藍光芯片LED配YAG熒光粉方法的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，制作工藝相對簡單，不過該方法也存在若干缺點，比如藍光LED效率不夠高，致使白光LED效率較低；熒光粉自身存在能量損耗；熒光粉與封裝材料隨著時間老化，導致色溫漂移和壽命縮短等。

(2)三基色熒光粉轉(zhuǎn)換LED

三基色熒光粉LED能在較高發(fā)光效率前提下有效提升LED的顯色性。得到三基色白光LED的最常用辦法是，利用紫外光LED激發(fā)一組可被紫外輻射有效激發(fā)的三基色熒光粉。

相對于藍光LED+YAG熒光粉獲取白光的方法，采用紫外LED+三基色熒光粉的方法更易于獲得顏色一致的白光，這是因為LED的光色僅僅由熒光粉的配比決定。另外，這種類型的白光LED具有高顯色性，光色和色溫可調(diào)，使用高轉(zhuǎn)換效率的熒光粉可以提高LED的光效。

不過，紫外LED+三基色熒光粉的方法還存在一定的缺陷，比如熒光粉在轉(zhuǎn)換紫外輻射時效率較低；粉體混合較為困難；封裝材料在紫外光照射下容易老化，壽命較短等。而且目前轉(zhuǎn)換效率較高的紅色和綠色熒光粉多為硫化物體系，這類熒光粉發(fā)光穩(wěn)定性差、光衰較大。