Ⅰ 概述

　　LED的開發(fā)迄今已有近30年歷史，取得長足進(jìn)展，白光LED的提出歷十余年磨練，發(fā)展迅速。在能源短缺、污染嚴(yán)重的時代LED應(yīng)運(yùn)而生、倍受重視。為緩解能源緊張、上世紀(jì)90年代中葉，日本政府率先、繼則美國政府從財政上支持本國技術(shù)界和工業(yè)界推動固態(tài)照明的開發(fā)。我國政府(以科技部為首、包括能源部、經(jīng)貿(mào)委、信息產(chǎn)業(yè)部等，以及各地方政府)也大力支持和資助LED的研發(fā)，并成立了國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟推進(jìn)中國的固態(tài)照明(中國稱之為半導(dǎo)體照明)計劃，并預(yù)期2010年白光LED的光效可提高到100 lm/W，并可用以大量替代光效約90 lm/W的熒光燈廣泛用于普通照明領(lǐng)域，[1] [2]。

　　在這樣的形勢下我國的大量企業(yè)、投資者、研究人員和技術(shù)人員紛紛介入，大規(guī)模投資開拓LED的研發(fā)和生產(chǎn)，迄今估計總共已投入人民幣數(shù)十億元，在不到十年的時間中取得了突出的成績，形成了規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。

　　全世界對LED特別是白光LED如此的重視有其內(nèi)在原因，當(dāng)前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、價格上漲、特別所造成環(huán)境已使得能源節(jié)約成為一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。各國消耗的能源中很大一部分用于照明。我國以及發(fā)達(dá)國家照明用電約占發(fā)電總量的12~13%，這是一項(xiàng)十分可觀的能源損耗。而目前全世界使用的光源仍以效率不高的白熾燈類光源為主，從中挖潛是大有可為的。

　　LED領(lǐng)域集中了眾多優(yōu)秀人才，取得了輝煌成績，一些研究部門宣布他們研發(fā)的LED在某些條件下達(dá)到了120lm/W甚至150lm/W的光效。因而大部分企業(yè)也紛紛宣稱自己的產(chǎn)品的光效已達(dá)到70lm/W、90lm/W或更高，由于LED的光輻射是定向的，其光利用率比輻射輸出各向均勻的普通光源僅靠燈具的定向反射采光的效率要高，因此認(rèn)定LED是當(dāng)前最佳功能照明光源，并大力向各個照明領(lǐng)域推廣，數(shù)年前已有人宣稱2010年LED將會大量取代緊湊型熒光燈、大規(guī)模進(jìn)入家庭照明、并斷言白光LED是當(dāng)前最好的道路照明光源。

　　毋庸置疑的是經(jīng)過20多年的發(fā)展，LED在顯示領(lǐng)域已取得了完全成功、并已成為無與論比、不可替代的顯示器件。在裝飾照明方面也充分顯示其特色、取得半壁江山，2008奧運(yùn)會開幕式上LED的出色表現(xiàn)更震撼世界。但是不能不正視的事實(shí)是在功能照明方面白光LED仍然存在較大的局限性。中國已經(jīng)是世界上最大的LED的生產(chǎn)基地和消費(fèi)市場，LED的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，但由于目前的技術(shù)水平和實(shí)際性能的限制，將此種器件用于功能照明并非用其所長的。所謂大功率LED，目前市場上能找到最大功率器件也不過3W，即使是研發(fā)中的10W器件能大規(guī)模生產(chǎn)，但對于常規(guī)照明特別是道路照明中使用的數(shù)百瓦的光源而言其單粒功率失之過小。采用白光LED設(shè)計一項(xiàng)照明工程其用量必定很大，無論是設(shè)計難度或是成本都將是得不償失的。

　　Ⅱ LED的光效

　　對LED的普遍的評價是高光效和長壽命，很多廠家宣稱其產(chǎn)品光效高達(dá)90lm/W或更高，但這些數(shù)據(jù)只是某些實(shí)驗(yàn)室在測試初始階段當(dāng)LED仍處于冷態(tài)時測得的最高數(shù)據(jù)。所謂5萬小時或10萬小時壽命只是早期對小功率單色LED的估算結(jié)果。

　　從LED的發(fā)光機(jī)理可以估算其理論光效。如所周知LED是利用載流子復(fù)合而發(fā)光的，載流子復(fù)合時其勢能全部轉(zhuǎn)化為光能，單就這一過程而言其內(nèi)量子效率為100%。但是載流子在介質(zhì)中與晶格碰撞而損失的能量、復(fù)合時載流子所攜帶的動能、以及為克服外電路電阻而消耗的電能均不可能轉(zhuǎn)化為光能。考慮到各種附加能耗、載流子復(fù)合的實(shí)際內(nèi)量子效率不會超過90%。

　　載流子復(fù)合時產(chǎn)生的光子有50%的幾率為外向輻射，這50%的光子中一部分與晶格碰撞并為晶格吸收轉(zhuǎn)化為熱能。部分光子傳輸時在不同介質(zhì)交界面處會反射回原介質(zhì)并被吸收，此外作為輸出窗的外電極的金屬網(wǎng)膜或透明導(dǎo)電膜也將使部分光子反射并被吸收，這些過程都會降低LED的量子提取率，設(shè)這部分光子的量子提取率為80%。

　　載流子復(fù)合時產(chǎn)生的光子中有50%的幾率為內(nèi)向輻射，這部分光子在到達(dá)兼作反射鏡的底層導(dǎo)電膜時將部分反射轉(zhuǎn)化為外向輸出光，然而此部分光子在向內(nèi)或向外傳輸過程中將與晶格碰撞并被部分吸收，而在經(jīng)過不同介質(zhì)交界面時也將部分反射或折射回原介質(zhì)最終被吸收。基底反射鏡的反射效率和上述過程的限制而使得內(nèi)向輻射的光子轉(zhuǎn)化為輸出光的量子提取率不會超過40%。