固态照明中白光LED的发展和应用

作者：时间：2011-12-29来源：网络收藏

Ⅰ引言
LED就是常说的发光二极管，现在其中文名称似已被弃，几乎人人都称之为LED了。LED及与之相应的固态照明(SSL)脍炙人口，已有时日，蓝、绿、红三色LED之用于大屏幕彩色显示及交通讯号指示已有20多年历史并取得了极大成功。近10年来LED在汽车尾灯以及其他几乎所有信号指示方面都取得了辉煌的几乎是垄断性进展。

在彩色LED发展的基础上白光LED受到了很大的重视，SSL是在白光LED的基础上发展的，白光LED已被誉为21世纪新光源。

在LED特别是白光LED的发展过程中其理论的或估计的发光效率和超常寿命令人神往，而美好的节能环保照明前景不仅使专家们如醉如痴地执着探求，并引起了政府的重视和支持。目前发达国家的照明用电占发电总量的约13~14%，所耗费的能源及产生产的温室气体排放和其他污染是极为可观的，如能在绿色照明方面有所进展，对节能减排将会产生巨大成效。

上世纪90年代中叶白光LED崭露头角的初期，日本政府率先大力资助研究部门和工业界研发白光LED及照明，他们对此是极为敏感、明智而果断的，因为日本国小民稠工业发达，资源贫乏。即使是国民经济总产值和资源消耗均为世界第一的美国也继之采取了政府行为，对SSL给予大力的政策和财政支持，可见目前的巨大能源消耗和环保支出已使得如此富有的美国也难以承受。随后欧美各国和我国都纷纷警觉并给予SSL以大力支持包括财政支持。

专家们和工业界的努力加上政府的支持，在上世纪90年代末期白光LED的研发进入高峰，并确实取得了不少成绩，但同时把SSL看成是一种商机的各色人等则乘机炒作，使之变得十分狂热，什么21世纪初LED必将大比例全面取代白炽灯、节能灯及其他常规照明光源。2006年的全国电光源会议上某海归博士“LED专家”声称“2010年LED必将全面取代紧凑型荧光灯……”，他的高论遭到无尽的质疑。

SSL是一个系统工程，白光LED的照明前景是无庸置疑的，很多白光LED的开拓者正在为此付出辛勤劳动，并且正在一个一个地解决尚待解决的问题，使得白光LED离直接大规模用于常规照明的距离愈来愈近了。

彩色LED的发展已臻完备，无论发光效率，寿命以及实际应用已甚为普及，在使用中显示出了它的优越性能。白光LED的发展也已取得很大进展，但其照明应用仍主要限于台灯、手电筒之类小范围局部照明，白光LED的样板照明工程包括室内甚至道路照明，数年前就已经涌现，目前我国很多城市的光伏照明样板工程中都已采用了白光LED，而且呼声最高，但是实际照明效果并不理想，其主要原因是：白光LED的单灯功率太小，光通量过低，为满足照明要求必须采用大量 LED组合，这样不仅成本很高，灯光设计复杂，而且照度仍然不够。再一个原因是白光LED运转时其发光中心—p-n结温度很高，如所周知任何半导体发光器件在p-n结温度升高时阻抗降低发光特性也将变化，发光效率也会降低，加以在高温长期烘烤下荧光粉光衰较快，数个月后白光LED辐射的光通量将大幅下降，照度相应降低，光线昏暗，达不到设计要求。

数年前的汽车展览会上已展出了采用白光LED作前大灯的概念车，此后也出现了少量以白光LED作前大灯的样板轿车。

所有这些样板工程和样板车不仅给人们展示了这种可能，而且证明了其前景和未来的现实性，并因此激励同行们矢志不渝地去努力实现这一宏大而光辉的目标。但是在展示了SSL如此美好前景的同时我们必须慎重而冷静地加以对待，我们应当认识到所有这些还不是目前的实际，还不能大面积推广。

Ⅱ LED的发光原理

如所周知LED就是发光二极管，是由某些种类半导体发光材料掺杂使之成为n型(负型或电子型)和p型(正型或空穴型)半导体Fig.1(a)，二种半导体的交界面上形成阻挡层(p-n结)，其能带结构和p-n结势垒图示如Fig.1(b)。

p型和n型半导体交合的p-n结附近由于电子势能不同，n型半导体施主(杂质)能级上的电子进入p型半导体的受主能级，使交界面势垒变化，平衡时二者的费米能级VF相平，电荷转移停止，形成如Fig.1所示势垒，该势垒区域就是所述p-n结。

正常情况下n型半导体中的自由电子(从施主能级跃迁到原本是空带的导带中形成的自由电子)无法越过阻挡层势垒进入p型半导体，但当在p-n结二侧施加电压并使n型半导体为正，p型半导体为负时，n型半导体导带中的自由电子将越过阻挡层进入p型半导体并与其中的空穴复合(载流子复合)电子势能立即降低，释出的全部势能以光子的形式向外辐射(复合发光)，如果光子能量正好在可见光范围则此种半导体器件就成了可见光LED。

构成LED的半导体的阻挡层二侧的势能差V决定了发射光的频率