该文作者杨正名，江苏省照明学会声誉理事长；广东雪莱特光电科技股份有限公司首席科学家、高级顾问。
Ⅰ导言
LED便是常说的发光二极管，现在其间文名称似已被弃，简直人人都称之为LED了。LED及与之相应的固态 照明(SSL)妇孺皆知，已有时日，蓝、绿、红三色LED之用于大屏幕五颜六色显现及交通信号指示已有20多年前史并获得了极大成功。近10年来LED在轿车 尾灯以及其他简直一切信号指示方面都获得了光芒的简直是垄断性开展。
在五颜六色LED开展的基础上白光LED受到了很大的注重，SSL是在白光LED的基础上开展的，白光LED已被称为21世纪新光源。
在LED特别是白光LED的开展进程中其理论的或估量的发光功率和超凡寿数心旷神往，而夸姣的节能环保照明远景不只使专家们自我陶醉地执着根究，并引起 了政府的注重和支撑。现在兴旺国家的照明用电占发电总量的约13~14%，所耗费的动力及产出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 面有所开展，对节能减排将会发生巨大成效。
上世纪90年代中叶白光LED锋芒毕露的初期，日本政府首先大力赞助研讨部分和工业界 研制白光LED及照明，他们对此是极为灵敏、正确而决断的，由于日本国小民稠工业兴旺，资源贫乏。即便是国民经济总产值和资源耗费均为国际第一的美国也继 之采纳了政府行为，对SSL给予大力的方针和财务支撑，可见现在的巨大动力耗费和环保开销已使得如此赋有的美国也难以接受。随后欧美各国和我国都纷繁警惕 并给予SSL以大力支撑包含财务支撑。
专家们和工业界的尽力加上政府的支撑，在上世纪90年代晚期白光LED的研制进入顶峰，并 的确获得了不少成果，但一起把SSL看成是一种商机的各色人等则乘机炒作，使之变得非常疯狂，什么21世纪初LED必将大比例全面替代白炽灯、节能灯及其 他惯例照明光源。2006年的全国电光源会议上某海归博士“LED专家”宣称“2010年LED必将全面替代紧凑型荧光灯……”，他的高论遭到无尽的质 疑。
SSL是一个体系工程，白光LED的照明远景是无庸置疑的，许多白光LED的开拓者正在为此支付辛勤劳动，并且正在一个一个地处理尚待处理的问题，使得白光LED离直接大规模用于惯例照明的间隔愈来愈近了。
五颜六色LED的开展已臻齐备，不管发光功率，寿数以及实践运用已甚为遍及，在运用中显现出了它的优胜功能。白光LED的开展也已获得很大开展，但其照明应 用仍首要限于台灯、手电筒之类小规模部分照明，白光LED的样板照明工程包含室内乃至路途照明，数年前就现已出现，现在我国许多城市的光伏照明样板工程中 都已选用了白光LED，并且呼声最高，可是实践照明作用并不抱负，其首要原因是：白光LED的单灯功率太小，光通量过低，为满意照明要求有必要选用许多 LED组合，这样不只本钱很高，灯光规划杂乱，并且照度依然不行。再一个原因是白光LED作业时其发光中心—p-n结温度很高，如所周知任何半导体发光器 件在p-n结温度升高时阻抗下降发光特性也将改动，发光功率也会下降，加以在高温长时刻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， 照度相应下降，光线暗淡，达不到规划要求。
数年前的轿车展览会上已展出了选用白光LED作前大灯的概念车，尔后也出现了少数以白光LED作前大灯的样板轿车。
一切这些样板工程和样板车不只给人们展现了这种或许，并且证明了其远景和未来的现实性，并因而鼓励同行们矢志不渝地去尽力实现这一庞大而光芒的方针。但 是在展现了SSL如此夸姣远景的一起咱们有必要稳重而冷静地加以对待，咱们应当认识到一切这些还不是现在的实践，还不能大面积推行。
Ⅱ LED的发光原理
如所周知LED便是发光二极管，是由某些种类半导体发光资料掺杂使之成为n型(负型或电子型)和p型(正型或空穴型)半导体Fig.1(a)，二种半导体的接壤面上构成阻挡层(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结邻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，使接壤面势垒改动，平衡时二者的费米能级VF相平，电荷转移中止，构成如Fig.1所示势垒，该势垒区域便是所述p-n结。
正常状况下n型半导体中的自由电子(从施主能级跃迁到本来是空带的导带中构成的自由电子)无法跳过阻挡层势垒进入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跳过阻挡层进入p型半导体并与其间的空穴复合(载流子复合)电子势能当即下降，释出的 悉数势能以光子的方式向外辐射(复合发光)，假如光子能量正好在可见光规模则此种半导体器材就成了可见光LED。
构成LED的半导体的阻挡层二侧的势能差V决议了发射光的频率
或发射光的波长为
式中C为光速C=3×108cm/秒，h为布朗克常数 h=6.624.10-27尔格/秒
e为电子电荷 e=4.88.10-10静电单位，V为p-n结电势差，单位为静电伏特。
以上参数均选用c.g.s制单位，若将以上数据代入该方程式并转化为有用单位则得λ=1.233/V μm
式中V的单位为有用单位伏特
上述p-n型半导体中载流器复合发生的光一般均为单色光，例如当阻挡层电势差为2.63V时则发生中心波长为470nm的蓝光(见Fig.2)，而在阻挡层电势差为2V时则发生中心波长为617nm的红光。
Fig.2
半导体发光二极管一般均为单色(五颜六色)发光器材，这种发光器材光效高，颜色单纯，早以广泛用于各类场合的显现，如各类指示灯，交通信号灯，大屏幕五颜六色显现屏，乃至大屏幕五颜六色电视等。
Ⅲ 白光LED
五颜六色LED虽已成功用于各种显现和指示器材，可是关于照明则是力不从心的，由于照明光源有必要有很好的显色性，所以照明用LED有必要发白光。
一种计划是创造一种多能级载流子复合的复合型杂质半导体资料，使之直接发生多色光，然后宣布白光，可是此种计划迄今未见有成功的报道。
另一种计划是将发射红、绿、蓝三种光色的发光二极管的芯片做在同一个管芯中，使之混光成白色，可是这样制成的白光发光二极管的光色较差，并且所发光束的某些部分依然出现本来颜色，因而这种计划已被抛弃了。
现在选用的计划是在蓝光或近紫外LED芯片上涂敷全色或黄色荧光粉，然后得到白光LED，荧光粉的质量、涂层厚度稍有影响均将严峻影响其显色指数、色温、光效和光衰。
Fig.3 a、b、c、d显现了发射峰为470nm的蓝光LED激起荧光粉后的发射光谱，涂敷荧光粉是吸收峰为450nm，发射峰为550nm的黄色 荧光粉，涂敷厚度不一起荧光粉层对蓝光的吸收强度以及发射荧光的强度均不同，所出现的光谱和光色也不相同，其状况示如下表：
Fig.3a
Fig.3b
Fig.3c
Fig.3d
该试验中涂层厚度丈量不准确，所以未于标出。辐射光通量测验办法亦不准确，所以只给出相对数据。试验标明荧光粉涂层厚度、处理工艺对白光LED的发射光谱、光通量、色温文显色指数的影响巨大，所以制造工艺有必要非常严厉，不然其一致性必定下降。
白光LED面世近10年来在工艺、资料等方面的确获得了很大开展，其单粒功率、光效均已获得巨大打破，最出色代表之一是超薄型GaN LED。当时白光LED获得的首要开展为：
1、 改善半导体资料纯度和掺杂工艺，以进步载流子密度和内量子功率。
2、 选用超薄结构，其活性层仅为数纳米，然后削减内量子吸收，加大了量子输出。
3、 在p-n结底部涂以高反射率膜层使内向辐射的光量子反射以加许多子输出。
4、 输出窗内外表粗糙化，然后削减向外辐射的光量子在输出窗内外表处反射折回到LED中的几率。
5、 选用高热导绝缘陶瓷作基底资料，和大辐射面散热器以改善 p-n结散热条件，下降结温度。
6、 开发近紫外LED及高效、耐高温三基色全色荧光粉以进步其作业温度、光转化功率、显色性并延伸寿数。
7、 寻觅耐高温半导体资料、使LED大功率化。
在采纳许多有用办法后现在白光LED的试验室水平的光效已达130~150lm/w，单粒功率可达10W。
Ⅳ LED的发光功率、热耗和改善
白光LED的成便是出色的，使之或许成为一种未来的高光效、长寿数、低本钱照明器材，并在照明范畴占有重要位置，乃至或许成为最遍及的通用光源，可是在现在还有许多要害问题需求处理，其最出色的一个基本问题便是散热。
LED是运用载流子复合发光的。在电子与空穴复合时其势能转化为光量子，这些光量子直接向外辐射时或许成为输 出光，而向内或向四侧辐射的部分则将被吸收转化为热能，即便向外辐射的光子也将有部分为输出窗吸收或为其内外表反射后再吸收，最终成为内部热耗。所以 LED的光效不只决议于其内光子功率(即其输入能量转化为光子能量的功率)，并且与光子提取率即外光子功率直接相关。
白光LED 不只存在如上所述的载流子复合的光量子功率和光量子提取率的问题，并且有输出光子与荧光粉作用转化为新光子的内、外量子功率问题，怎么挑选LED的发射波 长，寻觅最佳匹配的高效荧光粉以获得最大光量子转化功率和光量子输出率，然后确保高的发光功率也是白光LED的要害问题，这一问题仍有许多作业需求完结而 这也正减缓LED发热问题的要害。
如所周知传统光源如白炽灯、放电灯均靠将发光体加热到必定温度后才干发生辐射，高温是发光的前 提条件，例如白炽灯需将钨丝加热到2800℃或更高(卤素灯)，这时钨丝将辐射许多的红外线、可见光和少量紫外光，加热功率中辐射以外的能量余留在灯本身 使之坚持高温，这部分能量缺乏输入功率的50%，而它正是坚持发光体以恰当温度，坚持发光一切必要。而荧光灯则以70%以上的输入功率转化为紫外光及可见 光，紫外光则经荧光粉转化为可见光，总输功率的30%留在在灯中用于坚持灯的最佳作业温度和最高发光功率。
LED是在n型半导体 中的自由电子跳过阻挡层进入p型半导体，与并其间的空穴复合时悉数势能转化为光能，一起发生一个光子，这是一种冷体发光，由于此种发光的总量子效 率<50%，辐射光能以外的悉数能量包含电流经过n型和p型半导体以及阻挡层时的电阻热以及电子本身的动能等均耗散在半导体中并会集阻挡层邻近使之 加热，构成p-n结的温升，而这种温升使阻挡层电阻下降，势垒下降，下降了载流子复合的内、外量子功率和发光功率。p-n极的高温一起还影响了荧光粉的发 光功率乃至构成永久性损坏发生光衰，并使本来应当很长的LED寿数大幅下降。
全国十多处LED的光伏路途照明样板工程中现已百分 之百失利了。路途外表照度在运用1000~2000小时或更短时刻今后下降了一半，其原因就在于规划者按出产厂家给出的光效和作业点将LED用到了极限， 一般1W的LED，按厂方目标光效均为70lm/w，可是在这样的条件下1W的功率耗散在缺乏1mm2的芯片上，而又没有有用办法将这部分能耗快速导走， 因而使其温升高到150℃乃至更高，这便是使荧光粉被敏捷损坏，光坚持率敏捷下降、寿数出人意料的短的原因。为延伸白光LED的寿数有必要：
1、 进一步进步LED的总光子功率，这一功率的进步意味着更多能量转化为光能辐射出去，耗散在p-n结的能量的削减作业温度下降，这对p-n极本身的作业状况和荧光粉作业条件和寿数的延伸都是至关重要的。
2、 进一步改善荧光粉，进步其量子功率和所能接受的作业温度，亦即创造一种高效高作业温度荧光粉，使能在更高的作业温度下作业而不被损坏。
3、 运用时下降白光LED的作业规范，不要把试验数据或试验室数据当成产品正常作业的数据，例如对厂家给的 声称1W光效为70lm/W的白光LED最多只能作业在0.7W，光效约50lm/W，在这样的条件下能够得到较为满意的运用寿数，例如 8000~10000小时。至于声称的50000、100000小时的寿数对白光LED而言依然仅仅一种希望。你们把单色LED的寿数强加给白光LED 了。在说到白光LED的寿数时请不要忘掉荧光粉的寿数。对光源界同仁而言咱们非常明确，光源的寿数并非以它是否仍在发光为规范的。咱们的规范是以光坚持率 为目标的，当宣布的光通量为初始光通量或标称光通量的一半时其寿数现已终了。别的光源作业者也历来不是把光源能到达的最高光效作为光效，而是以在合理寿数 条件下正常作业时的光效为光效的。按自己经历所谓1W，光效70lm/W的白光LED只能按0.6~0.7W，光效最多为50lm/W的光源运用，许多供 应商们对此持不同定见，他们以为自己所指的是国产品 “咱们的(台产、日本或美国产品)白光LED是非常好的”。对此自己不彻底置疑，可是在自己所看到的 现已暗淡无光的白光LED照明工程中不贬非常贵重的泊来品。
4、 改善散热条件，将LED芯片耗散的热能更多更快地导走，以下降其作业温度然后坚持较高的光效和较长的寿数，现在选用导热陶瓷基片和铝散热片的办法下降p-n结温度，对小功率白光LED是有用的，但对1W以上大功率器材尚难满意。
5、 对大功率白光LED仍需做更多的试验和改善，不要盲目推动样板工程，许多区域领导在“顾问”们的哄骗下强行指令制造LED的路途照明样板工程是不 科学的，这会拔苗助长的，这样的经验现已太多了，该考虑一下了。许多国外的专家不无嘲讽地说“在白光LED照明方面你们我国已走到国际的前列”，“咱们认 为白光LED在照明方面大规模的推行至少还需8~10年，而你们我国现已开端了”，老外们的这种估量或许保存一点，可是2010年悉数替代紧凑型荧光灯的 估量好像热糊涂了。
Fig.5
白光LED的运用
白光LED是一种高光效、长寿数光源，运用远景极为看 好，许多用于惯例照明，部分替代惯例光源仅仅时刻问题。跟着时刻推移和功能的改善它所能替代的光源种类和数量将不断扩大，正如当年半导体电子元器材之替代 真空电子器材半导体激光器之替代气体激光器相同。可是这是一个开展的天然进程，依条件老练程度而突变，绝非一个指令就能在一夜之间完结的。在现在状况下 LED开展时日尚短，尚有许多参数需求改善，应在其现已老练的范畴逐步推行。
1、 部分规模低照度照明方面LED有其不行替代的优势，例如手电筒、台灯照明，橱窗、小商品照明。由于LED的光辐射会集在必定发射角中光散布会集，所以可获得高效、节能的作用。
2、 小尺度液晶显现屏的LED背光源，由于所选用的LED功率较小，数量不多，p-n结发热不严峻，所以能够获得非常好的作用。可是大面积显现板则存 在较多问题，例如许多密布的LED阵列的散热问题很难处理，而其本钱问题一时也难处理。p-n级高温运用所带来的寿数问题也是有必要考虑的。
3、 室内照明如作为夜灯、床头灯、台灯或照度要求较低的走廊灯等，虽照度过低，但有其节能、长寿数以及本钱较低的优势。可是办公室、会议室、教室、餐 厅等照度要求较高，照耀间隔又远的场所用LED作首要照明光源，现在不只本钱太高，作用也不抱负，与传统照明光源比较尚有显着的距离。
4、 路途照明：现在常用光源为250W或400W高压钠灯或金属卤化物灯，其光通量约为20000~40000lm，寿数6000~10000小时， 若以1W，70lm/w的白光LED替代，如到达相同照明作用则至少需求300粒LED，其价格约6000元，为惯例光源的50倍以上，但如前所述此种 LED只能按0.7W，50lm/W核算，不然寿数将不符要求。因而即便按以上规划实践到达的光通量只要15000lm/W。除价格贵重外，如此多的 LED的列阵组合，其难度及费用亦非常贵重，而其散热问题更成了一个令人犯难的难点。
在选用LED作路灯照明时另一个需求考虑的 问题是照度散布，所看到的一切以LED作光源的路途照明规划都是将LED安装在一块平板上再装入灯具中。灯具的首要作用仅仅支托LED和挡风遮雨，对光分 布不起任何作用，而路面的照度散布则彻底由LED本身的光发射角确认，以致在路面构成了显着的斑马效应，正对灯下方的地段较亮，而在二灯之间则构成显着暗 区，因而选用LED作路灯照明时有必要考虑二次光学规划问题，以求得较为均匀的路面照度。
咱们实践调查了一条选用白光LED的光伏 路灯照明样板工程，灯高9米，灯功率100W，正下方地上的平面照度为3.5 Lx，反常暗淡视界不清，且二灯之间3/5的路面更彻底无光。据组织者介 绍，1个半月前工程刚完工时地上照度为7Lx。与之对应的选用高压钠灯的另一光伏照明工程，灯功率105W，正下方照度为19Lx，灯距30米，二灯之间 的中点地上照度11Lx。可见与惯例光源比较在现在条件下选用白光LED作路途照明光源是很不适合的，除时尚而外，不管从光效、寿数或是照明作用考虑看不 出任何优势。
5、 轿车前灯照明：LED是一种投射式光源，很简单联想以大功率白光LED作为轿车前照光源。现在正在大力推行并 将成为规范头灯光源装备的是35W氙气金卤灯，其体系输入功率为42W，输出光通量为3200~3500lm。若改用LED作前照光源，即便以 70lm/W的光效计需求总功率为50W的白光LED，在现在状况下大功率白光LED产品的单粒输入功率为1W，最大为3W。而10W/粒的LED有必要由 试验室专门制造，即便选用10W/粒的LED也需4~5粒，即便不考虑其价格，如此大功率LED p-n结所耗散的热能在30~35W以上，将如此大的热 耗即时导走，以坚持其p-n结温度在合理规模是一个难题，假如不能处理这个问题，LED轿车头灯只能是样板车，很难有用推行。将D1S型车用氙气金卤灯安 装在灯具中，灯具环境温度为25℃，平衡时实测的灯总输入功率为35±0.3W，去除可见、红外、紫外辐射，其他功率首要耗于电弧管加热。即便如此，其灯 头外表温度为185℃。在这样的静态试验中灯头温度已如此之高，在轿车行进时灯箱体中的温度在85℃左右，灯头温度更将上升，在这样的条件下若选用LED 作灯头，灯头温度必定远超200℃。LED本身温度必定更高，如此高的p-n结温度不只LED本身难以接受，而将LED发射的蓝光或近紫外光转化为白光的 荧光粉更难以长时刻接受这样的高温，由此构成的LED的光衰和寿数是难以接受的。在如此高的环境温度中选用气流冷却LED是毫无作用的。为使LED能真实成 为轿车头灯并得到用户认可有必要做到其运用寿数不低于3000小时，而各项功能参数有必要满意运用要求，为此在现在条件下能够采纳以下办法：
a、 选用致冷设备使LED的p-n结逼迫冷却。单纯加大散热器和强制气流冷却是不或许使LED有用降温的，由于周围环境温度太高了。但这样的办法将使灯的体系光效大幅度下降。
b、 改动动力设备，选用电力驱动，由于电动机作业时的作业温度比燃气机低得多，在较低的环境温度下能够经过加大散热设备，选用强气流冷却、下降LED温度以确保其正常作业作业条件。
c、 改动轿车结构将动力设备从车头移到车尾，以下降LED头灯邻近的环境温度，然后能够选用惯例气流冷却办法，使LED的作业温度下降。
d、 创造新的能在高温下正常作业的LED芯片资料和结构，以及相匹配的能在高温下正常作业的高转化功率荧光粉。
Ⅵ 定论
白光LED将会成为新一代的高效节能光源，并许多替代惯例照明光源中的某些种类或某些范畴中的运用。但它将在很长一段时刻中与现在的大部分照明光源共 存，那时白炽灯、卤素灯在一般照明范畴将大幅削减。在可见将来白光LED将会在小功率照明范畴与紧凑型荧光灯并存，视开展状况而互相消长。可是最近 5~10年以内，白光LED有必要大幅度进步其产品的功能，进步单粒功率和光效。特别是怎么规划出有用散热办法以下降p-n结温度，推迟荧光粉的老化和光 衰，当然更高效能接受更高温度的荧光粉的研制也应当是尽力的一个重要方面。
咱们等待白光LED在结构、技能，工艺和资料方面能有 新打破。现在的对LED进行改进的惯例传统途径或许需求很长时刻才干使白光LED到达大面积推行并用于一般照明的功能目标。当然即便在白光LED大面积使 用于惯例照明之后仍将是多种光源共存的年代。白光LED是不或许替代一切光源的，特别是一些大功率高功能和特别用处的光源。
咱们 信任，白光LED终将有一天会像当年半导体电子器材替代大部分真空电子器材，半导体激光器替代大部分气体激光器相同锋芒毕露。当然，正像那些半导体器材一 样在可见将来白光LED也不或许成为仅有照明器材。“2010年白光LED将会全面替代紧凑型荧光灯”的预言是无知而荒诞的。
