該文作者楊正名，江蘇省照明學會名譽理事長；廣東雪萊特光電科技股份有限公司首席科學家、高級顧問。
Ⅰ引言
??? LED就是常說的發光二極管，現在其中文名稱似已被棄，幾乎人人都稱之為LED了。LED及與之相應的固態 照明(SSL)膾炙人口，已有時日，藍、綠、紅三色LED之用于大屏幕彩色顯示及交通訊號指示已有20多年歷史并取得了極大成功。近10年來LED在汽車 尾燈以及其他幾乎所有信號指示方面都取得了輝煌的幾乎是壟斷性進展。
在彩色LED發展的基礎上白光LED受到了很大的重視，SSL是在白光LED的基礎上發展的，白光LED已被譽為21世紀新光源。
在LED特別是白光LED的發展過程中其理論的或估計的發光效率和超常壽命令人神往，而美好的節能環保照明前景不僅使專家們如醉如癡地執著探求，并引起 了政府的重視和支持。目前發達國家的照明用電占發電總量的約13~14%，所耗費的能源及產生產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 面有所進展，對節能減排將會產生巨大成效。
上世紀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界 研發白光LED及照明，他們對此是極為敏感、明智而果斷的，因為日本國小民稠工業發達，資源貧乏。即使是國民經濟總產值和資源消耗均為世界第一的美國也繼 之采取了政府行為，對SSL給予大力的政策和財政支持，可見目前的巨大能源消耗和環保支出已使得如此富有的美國也難以承受。隨后歐美各國和我國都紛紛警覺 并給予SSL以大力支持包括財政支持。
專家們和工業界的努力加上政府的支持，在上世紀90年代末期白光LED的研發進入高峰，并 確實取得了不少成績，但同時把SSL看成是一種商機的各色人等則乘機炒作，使之變得十分狂熱，什么21世紀初LED必將大比例全面取代白熾燈、節能燈及其 他常規照明光源。2006年的全國電光源會議上某海歸博士“LED專家”聲稱“2010年LED必將全面取代緊湊型熒光燈……”，他的高論遭到無盡的質 疑。
SSL是一個系統工程，白光LED的照明前景是無庸置疑的，很多白光LED的開拓者正在為此付出辛勤勞動，并且正在一個一個地解決尚待解決的問題，使得白光LED離直接大規模用于常規照明的距離愈來愈近了。
彩色LED的發展已臻完備，無論發光效率，壽命以及實際應用已甚為普及，在使用中顯示出了它的優越性能。白光LED的發展也已取得很大進展，但其照明應 用仍主要限于臺燈、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甚至道路照明，數年前就已經涌現，目前我國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，燈光設計復雜，而且照度仍然不夠。再一個原因是白光LED運轉時其發光中心—p-n結溫度很高，如所周知任何半導體發光器 件在p-n結溫度升高時阻抗降低發光特性也將變化，發光效率也會降低，加以在高溫長期烘烤下熒光粉光衰較快，數個月后白光LED輻射的光通量將大幅下降， 照度相應降低，光線昏暗，達不到設計要求。
數年前的汽車展覽會上已展出了采用白光LED作前大燈的概念車，此后也出現了少量以白光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的現實性，并因此激勵同行們矢志不渝地去努力實現這一宏大而光輝的目標。但 是在展示了SSL如此美好前景的同時我們必須慎重而冷靜地加以對待，我們應當認識到所有這些還不是目前的實際，還不能大面積推廣。
Ⅱ LED的發光原理
如所周知LED就是發光二極管，是由某些種類半導體發光材料摻雜使之成為n型(負型或電子型)和p型(正型或空穴型)半導體Fig.1(a)，二種半導體的交界面上形成阻擋層(p-n結)，其能帶結構和p-n結勢壘圖示如Fig.1(b)。
??? p型和n型半導體交合的p-n結附近由于電子勢能不同，n型半導體施主(雜質)能級上的電子進入p型半導體的受主能級，使交界面勢壘變化，平衡時二者的費米能級VF相平，電荷轉移停止，形成如Fig.1所示勢壘，該勢壘區域就是所述p-n結。
???? 正常情況下n型半導體中的自由電子(從施主能級躍遷到原本是空帶的導帶中形成的自由電子)無法越過阻擋層勢壘進入p型半導體，但當在p-n結二側施加電壓并 使n型半導體為正，p型半導體為負時，n型半導體導帶中的自由電子將越過阻擋層進入p型半導體并與其中的空穴復合(載流子復合)電子勢能立即降低，釋出的 全部勢能以光子的形式向外輻射(復合發光)，如果光子能量正好在可見光范圍則此種半導體器件就成了可見光LED。
構成LED的半導體的阻擋層二側的勢能差V決定了發射光的頻率
或發射光的波長為
???????????????????????????????????????????????????????
式中C為光速C=3×108cm/秒，h為布朗克常數 h=6.624.10-27爾格/秒
e為電子電荷 e=4.88.10-10靜電單位，V為p-n結電勢差，單位為靜電伏特。
以上參數均采用c.g.s制單位，若將以上數據代入該方程式并轉換為實用單位則得λ=1.233/V μm
???? 式中V的單位為實用單位伏特
上述p-n型半導體中載流器復合產生的光通常均為單色光，例如當阻擋層電勢差為2.63V時則產生中心波長為470nm的藍光(見Fig.2)，而在阻擋層電勢差為2V時則產生中心波長為617nm的紅光。
Fig.2
?????? 半導體發光二極管通常均為單色(彩色)發光器件，這種發光器件光效高，顏色單純，早以廣泛用于各類場合的顯示，如各類指示燈，交通信號燈，大屏幕彩色顯示屏，甚至大屏幕彩色電視等。
Ⅲ 白光LED
彩色LED雖已成功用于各種顯示和指示器件，然而對于照明則是無能為力的，因為照明光源必須有很好的顯色性，所以照明用LED必須發白光。
一種方案是發明一種多能級載流子復合的復合型雜質半導體材料，使之直接產生多色光，從而發出白光，然而此種方案迄今未見有成功的報導。
另一種方案是將發射紅、綠、藍三種光色的發光二極管的芯片做在同一個管芯中，使之混光成白色，但是這樣制成的白光發光二極管的光色較差，而且所發光束的某些部分仍然呈現原來色彩，因此這種方案已被放棄了。
目前采用的方案是在藍光或近紫外LED芯片上涂敷全色或黃色熒光粉，從而得到白光LED，熒光粉的質量、涂層厚度稍有影響均將嚴重影響其顯色指數、色溫、光效和光衰。
Fig.3 a、b、c、d顯示了發射峰為470nm的藍光LED激發熒光粉后的發射光譜，涂敷熒光粉是吸收峰為450nm，發射峰為550nm的黃色 熒光粉，涂敷厚度不同時熒光粉層對藍光的吸收強度以及發射熒光的強度均不同，所呈現的光譜和光色也不相同，其情況示如下表：
Fig.3a
Fig.3b
Fig.3c
Fig.3d
該試驗中涂層厚度測量不準確，所以未于標出。輻射光通量測試方法亦不精確，所以只給出相對數據。實驗表明熒光粉涂層厚度、處理工藝對白光LED的發射光譜、光通量、色溫和顯色指數的影響巨大，所以制作工藝必須十分嚴格，否則其一致性必定降低。
白光LED問世近10年來在工藝、材料等方面確實取得了很大進展，其單粒功率、光效均已取得巨大突破，最突出代表之一是超薄型GaN LED。當前白光LED取得的主要進展為：
1、 改進半導體材料純度和摻雜工藝，以提高載流子密度和內量子效率。
2、 采用超薄結構，其活性層僅為數納米，從而減少內量子吸收，加大了量子輸出。
3、 在p-n結底部涂以高反射率膜層使內向輻射的光量子反射以加大量子輸出。
4、 輸出窗內表面粗糙化，從而減少向外輻射的光量子在輸出窗內表面處反射折回到LED中的幾率。
5、 采用高熱導絕緣陶瓷作基底材料，和大輻射面散熱器以改善 p-n結散熱條件，降低結溫度。
6、 開發近紫外LED及高效、耐高溫三基色全色熒光粉以提高其運轉溫度、光轉換效率、顯色性并延長壽命。
7、 尋找耐高溫半導體材料、使LED大功率化。
在采取諸多有效措施后目前白光LED的實驗室水平的光效已達130~150lm/w，單粒功率可達10W。
Ⅳ LED的發光效率、熱耗和改進
白光LED的成就是杰出的，使之可能成為一種未來的高光效、長壽命、低成本照明器件，并在照明領域占據重要地位，甚至可能成為最普及的通用光源，但是在目前還有諸多關鍵問題需要解決，其最突出的一個基本問題就是散熱。
LED是利用載流子復合發光的。在電子與空穴復合時其勢能轉化為光量子，這些光量子直接向外輻射時可能成為輸 出光，而向內或向四側輻射的部分則將被吸收轉化為熱能，即使向外輻射的光子也將有部分為輸出窗吸收或為其內表面反射后再吸收，最后成為內部熱耗。所以 LED的光效不僅決定于其內光子效率(即其輸入能量轉化為光子能量的效率)，而且與光子提取率即外光子效率直接相關。
白光LED 不僅存在如上所述的載流子復合的光量子效率和光量子提取率的問題，而且有輸出光子與熒光粉作用轉換為新光子的內、外量子效率問題，如何選擇LED的發射波 長，尋找最佳匹配的高效熒光粉以取得最大光量子轉換效率和光量子輸出率，從而保證高的發光效率也是白光LED的關鍵問題，這一問題仍有大量工作需要完成而 這也正減緩LED發熱問題的關鍵。
如所周知傳統光源如白熾燈、放電燈均靠將發光體加熱到一定溫度后才能產生輻射，高溫是發光的前 提條件，例如白熾燈需將鎢絲加熱到2800℃或更高(鹵素燈)，這時鎢絲將輻射大量的紅外線、可見光和少許紫外光，加熱功率中輻射以外的能量余留在燈本身 使之保持高溫，這部分能量不足輸入功率的50%，而它正是保持發光體以適當溫度，維持發光所必須。而熒光燈則以70%以上的輸入功率轉化為紫外光及可見 光，紫外光則經熒光粉轉化為可見光，總輸功率的30%留在在燈中用于維持燈的最佳工作溫度和最高發光效率。
LED是在n型半導體 中的自由電子越過阻擋層進入p型半導體，與并其中的空穴復合時全部勢能轉化為光能，同時產生一個光子，這是一種冷體發光，由于此種發光的總量子效 率<50%，輻射光能以外的全部能量包括電流通過n型和p型半導體以及阻擋層時的電阻熱以及電子自身的動能等均耗散在半導體中并集中阻擋層附近使之 加熱，造成p-n結的溫升，而這種溫升使阻擋層電阻下降，勢壘下降，降低了載流子復合的內、外量子效率和發光效率。p-n極的高溫同時還影響了熒光粉的發 光效率甚至造成永久性破壞產生光衰，并使原本應當很長的LED壽命大幅下降。
全國十多處LED的光伏道路照明樣板工程中已經百分 之百失敗了。道路表面照度在使用1000~2000小時或更短時間以后降低了一半，其原因就在于設計者按生產廠家給出的光效和工作點將LED用到了極限， 通常1W的LED，按廠方指標光效均為70lm/w，然而在這樣的條件下1W的功率耗散在不足1mm2的芯片上，而又沒有有效方法將這部分能耗快速導走， 因而使其溫升高到150℃甚至更高，這就是使熒光粉被迅速破壞，光維持率迅速下降、壽命出乎意料的短的原因。為延長白光LED的壽命必須：
1、 進一步提高LED的總光子效率，這一效率的提高意味著更多能量轉換為光能輻射出去，耗散在p-n結的能量的減少工作溫度降低，這對p-n極自身的工作狀態和熒光粉工作條件和壽命的延長都是至關重要的。
2、 進一步改進熒光粉，提高其量子效率和所能承受的工作溫度，亦即發明一種高效高工作溫度熒光粉，使能在更高的工作溫度下運轉而不被破壞。
3、 使用時降低白光LED的工作標準，不要把試驗數據或實驗室數據當成產品正常運轉的數據，例如對廠家給的 號稱1W光效為70lm/W的白光LED最多只能工作在0.7W，光效約50lm/W，在這樣的條件下可以得到較為滿意的使用壽命，例如 8000~10000小時。至于號稱的50000、100000小時的壽命對白光LED而言仍然只是一種愿望。你們把單色LED的壽命強加給白光LED 了。在提到白光LED的壽命時請不要忘記熒光粉的壽命。對光源界同仁而言我們十分明確，光源的壽命并非以它是否仍在發光為標準的。我們的標準是以光維持率 為指標的，當發出的光通量為初始光通量或標稱光通量的一半時其壽命已經終了。另外光源工作者也從來不是把光源能達到的最高光效作為光效，而是以在合理壽命 條件下正常運轉時的光效為光效的。按本人經驗所謂1W，光效70lm/W的白光LED只能按0.6~0.7W，光效最多為50lm/W的光源使用，很多供 應商們對此持不同意見，他們認為本人所指的是國產品 “我們的(臺產、日本或美國產品)白光LED是非常好的”。對此本人不完全懷疑，但是在本人所看到的 已經暗淡無光的白光LED照明工程中不貶非常昂貴的泊來品。
4、 改進散熱條件，將LED芯片耗散的熱能更多更快地導走，以降低其工作溫度從而保持較高的光效和較長的壽命，目前采用導熱陶瓷基片和鋁散熱片的方法降低p-n結溫度，對小功率白光LED是有效的，但對1W以上大功率器件尚難滿意。
5、 對大功率白光LED仍需做更多的試驗和改進，不要盲目推進樣板工程，很多地區領導在“參謀”們的哄騙下強行指令建造LED的道路照明樣板工程是不 科學的，這會適得其反的，這樣的教訓已經太多了，該思考一下了。很多國外的專家不無嘲諷地說“在白光LED照明方面你們中國已走到世界的前列”，“我們認 為白光LED在照明方面大規模的推廣至少還需8~10年，而你們中國已經開始了”，老外們的這種估計可能保守一點，然而2010年全部取代緊湊型熒光燈的 估計似乎熱糊涂了。
Fig.5
?白光LED的應用
白光LED是一種高光效、長壽命光源，應用前景極為看 好，大量用于常規照明，部分取代常規光源只是時間問題。隨著時間推移和性能的改進它所能取代的光源品種和數量將不斷擴大，正如當年半導體電子元器件之取代 真空電子器件半導體激光器之取代氣體激光器一樣。然而這是一個發展的自然過程，依條件成熟程度而漸變，絕非一個命令就能在一夜之間完成的。在目前狀態下 LED發展時日尚短，尚有諸多參數需要改進，應在其已經成熟的領域逐步推廣。
1、 局部范圍低照度照明方面LED有其不可取代的優勢，例如手電筒、臺燈照明，櫥窗、小商品照明。由于LED的光輻射集中在一定發射角中光分布集中，所以可取得高效、節能的效果。
2、 小尺寸液晶顯示屏的LED背光源，由于所采用的LED功率較小，數量不多，p-n結發熱不嚴重，所以可以取得非常好的效果。但是大面積顯示板則存 在較多問題，例如大量密集的LED陣列的散熱問題很難解決，而其成本問題一時也難解決。p-n級高溫使用所帶來的壽命問題也是必須考慮的。
3、 室內照明如作為夜燈、床頭燈、臺燈或照度要求較低的走廊燈等，雖照度過低，但有其節能、長壽命以及成本較低的優勢。然而辦公室、會議室、教室、餐 廳等照度要求較高，照射距離又遠的場所用LED作主要照明光源，目前不僅成本太高，效果也不理想，與傳統照明光源相比尚有明顯的差距。
4、 道路照明：目前常用光源為250W或400W高壓鈉燈或金屬鹵化物燈，其光通量約為20000~40000lm，壽命6000~10000小時， 若以1W，70lm/w的白光LED取代，如達到相同照明效果則至少需要300粒LED，其售價約6000元，為常規光源的50倍以上，但如前所述此種 LED只能按0.7W，50lm/W計算，否則壽命將不符要求。因此即使按以上設計實際達到的光通量只有15000lm/W。除價格昂貴外，如此多的 LED的列陣組合，其難度及費用亦十分昂貴，而其散熱問題更成了一個令人撓頭的難點。
在采用LED作路燈照明時另一個需要考慮的 問題是照度分布，所看到的所有以LED作光源的道路照明設計都是將LED安裝在一塊平板上再裝入燈具中。燈具的主要作用只是支托LED和擋風遮雨，對光分 布不起任何作用，而路面的照度分布則完全由LED自身的光發射角確定，以至在路面形成了明顯的斑馬效應，正對燈下方的地段較亮，而在二燈之間則形成明顯暗 區，因此采用LED作路燈照明時必須考慮二次光學設計問題，以求得較為均勻的路面照度。
我們實際考察了一條采用白光LED的光伏 路燈照明樣板工程，燈高9米，燈功率100W，正下方地面的平面照度為3.5 Lx，異常昏暗視野不清，且二燈之間3/5的路面更完全無光。據組織者介 紹，1個半月前工程剛完工時地面照度為7Lx。與之對應的采用高壓鈉燈的另一光伏照明工程，燈功率105W，正下方照度為19Lx，燈距30米，二燈之間 的中點地面照度11Lx。可見與常規光源相比在目前條件下采用白光LED作道路照明光源是很不適宜的，除時髦而外，無論從光效、壽命或是照明效果考慮看不 出任何優勢。
5、 汽車前燈照明：LED是一種投射式光源，很容易聯想以大功率白光LED作為汽車前照光源。目前正在大力推廣并 將成為標準頭燈光源配置的是35W氙氣金鹵燈，其系統輸入功率為42W，輸出光通量為3200~3500lm。若改用LED作前照光源，即使以 70lm/W的光效計需要總功率為50W的白光LED，在目前情況下大功率白光LED產品的單粒輸入功率為1W，最大為3W。而10W/粒的LED必須由 實驗室專門制作，即使采用10W/粒的LED也需4~5粒，即使不考慮其價格，如此大功率LED p-n結所耗散的熱能在30~35W以上，將如此大的熱 耗即時導走，以保持其p-n結溫度在合理范圍是一個難題，如果不能解決這個問題，LED汽車頭燈只能是樣板車，很難實用推廣。將D1S型車用氙氣金鹵燈安 裝在燈具中，燈具環境溫度為25℃，平衡時實測的燈總輸入功率為35±0.3W，去除可見、紅外、紫外輻射，其余功率主要耗于電弧管加熱。即使如此，其燈 頭表面溫度為185℃。在這樣的靜態實驗中燈頭溫度已如此之高，在汽車行駛時燈箱體中的溫度在85℃左右，燈頭溫度更將上升，在這樣的條件下若采用LED 作燈頭，燈頭溫度必定遠超200℃。LED自身溫度必定更高，如此高的p-n結溫度不僅LED自身難以承受，而將LED發射的藍光或近紫外光轉換為白光的 熒光粉更難以長期承受這樣的高溫，由此造成的LED的光衰和壽命是難以接受的。在如此高的環境溫度中采用氣流冷卻LED是毫無效果的。為使LED能真正成 為汽車頭燈并得到用戶認可必須做到其使用壽命不低于3000小時，而各項性能參數必須滿足使用要求，為此在目前條件下可以采取以下措施：
a、 采用致冷裝置使LED的p-n結強迫冷卻。單純加大散熱器和強制氣流冷卻是不可能使LED有效降溫的，因為周圍環境溫度太高了。但這樣的措施將使燈的系統光效大幅度下降。
b、 改變動力裝置，采用電力驅動，因為電動機運轉時的工作溫度比燃氣機低得多，在較低的環境溫度下可以通過加大散熱裝置，采用強氣流冷卻、降低LED溫度以保證其正常運轉工作條件。
c、 改變汽車結構將動力裝置從車頭移到車尾，以降低LED頭燈附近的環境溫度，從而可以采用常規氣流冷卻方法，使LED的工作溫度降低。
d、 發明新的能在高溫下正常工作的LED芯片材料和結構，以及相匹配的能在高溫下正常運轉的高轉換效率熒光粉。
Ⅵ 結論
白光LED將會成為新一代的高效節能光源，并大量取代常規照明光源中的某些品種或某些領域中的應用。但它將在很長一段時間中與現在的大部分照明光源共 存，那時白熾燈、鹵素燈在普通照明領域將大幅減少。在可見將來白光LED將會在小功率照明領域與緊湊型熒光燈并存，視發展情況而彼此消長。但是最近 5~10年以內，白光LED必須大幅度提高其產品的性能，提高單粒功率和光效。特別是如何設計出有效散熱措施以降低p-n結溫度，延緩熒光粉的老化和光 衰，當然更高效能承受更高溫度的熒光粉的研發也應當是努力的一個重要方面。
我們期待白光LED在結構、技術，工藝和材料方面能有 新突破。目前的對LED進行改良的常規傳統途徑可能需要很長時間才能使白光LED達到大面積推廣并用于普通照明的性能指標。當然即使在白光LED大面積使 用于常規照明之后仍將是多種光源共存的時代。白光LED是不可能取代所有光源的，特別是一些大功率高性能和特殊用途的光源。
我們 相信，白光LED終將有一天會像當年半導體電子器件取代大部分真空電子器件，半導體激光器取代大部分氣體激光器一樣脫穎而出。當然，正像那些半導體器件一 樣在可見將來白光LED也不可能成為唯一照明器件。“2010年白光LED將會全面取代緊湊型熒光燈”的預言是無知而荒唐的。