一、LED的發(fā)展
　　在市場(chǎng)需求與技巧提高的推動(dòng)之下，LED經(jīng)歷了一段光輝的歷史。第一批產(chǎn)品呈現(xiàn)于1968年，Monsanto公司將其作為唆使燈泡，Hewlett-Packard公司則首次用于電子顯示設(shè)備。早期產(chǎn)品是GaAsPLED,性能相當(dāng)差，工作電流20mA光能量只有千分之幾流明。相應(yīng)的發(fā)光效率為0.1lm/w。而且只有一種光色——650nm的紅色光。七十年代上半期技巧提高很快，發(fā)光效率達(dá)到1lm/w。色彩也擴(kuò)大到紅色、綠色和黃色。八十年代GaALASLED的紅光效率提高到10lm/w。
　　20世紀(jì)90年代初期，惠普公司光電部、Lumi-LedsLighting公司和松下公司的工程師們就已經(jīng)把握了如何用金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積法在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)AllnGaP的工藝，AllnGaP材料在可見(jiàn)光譜區(qū)產(chǎn)生紅光和橙光。合金有序化、受主原子的氫鈍化、p-n結(jié)排列，以及把氧摻進(jìn)含鋁器件層都是相收復(fù)雜的，這些標(biāo)題耗費(fèi)了近10年時(shí)間才得以解決。終極實(shí)現(xiàn)了內(nèi)量子效率接近100%的AIInGaP發(fā)光二極管。幾乎每個(gè)注進(jìn)到器件中的電子空***對(duì)都產(chǎn)生一個(gè)光子，因此如何使在半導(dǎo)體發(fā)光二極管內(nèi)形成的光子達(dá)到二極管外就成了一種挑釁。首先是如何防止光被窄帶隙（0.87nm）GaAs襯低接收。研究職員曾經(jīng)嘗試過(guò)在布喇格反射鏡的外延結(jié)構(gòu)中摻雜并在GaP襯底上直接生長(zhǎng)的技巧。但是最成功的還是通過(guò)蝕刻法強(qiáng)力除往GaAs襯底，采用芯片接正當(dāng)代替GaP的技巧。采用該技巧研制的發(fā)光器婉轉(zhuǎn)的發(fā)光效率為25lm/W，幾乎是帶紅色濾光的燈泡發(fā)光效率的10倍。每支發(fā)光二極管的光通量為幾個(gè)lm，由它們組成的發(fā)光二極管陣列首先被制成了汽車(chē)上的停車(chē)燈、紅色交通信號(hào)燈以及單色室外信號(hào)標(biāo)記。然而光通量為3lm時(shí)，發(fā)光二極管的慶用仍很有限。
繼AIInGaP的發(fā)展后，Nichia化學(xué)公司（日本德島）和名古屋大學(xué)（日本名古屋市）的研究職員把握了應(yīng)用金屬　　有機(jī)化學(xué)汽相沉積技巧在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)AIInGaN的復(fù)雜工藝。AIInGaN材料的帶隙比AIInGaP的寬，可以籠罩高能量的藍(lán)光和綠光波段。合金有序化、受主原子的氫鈍化、p-n結(jié)排列，以及把氧摻進(jìn)含鋁器件層再次成為相當(dāng)復(fù)雜的標(biāo)題。AIInGaN材料系并不像AIInGaP材料系那樣為人們所熟悉。AIInGaN綠光元件在尺度的工作電流下內(nèi)量子效率停留在40%～50%，而藍(lán)光器件的內(nèi)量子效率為60%～80%。通過(guò)利用透明的藍(lán)寶石襯底，以及人眼對(duì)綠光比對(duì)藍(lán)光或紅光更敏感的特點(diǎn)，人們已經(jīng)制作出幾個(gè)流明的綠光LED。這種LED和紅光AIInGaP發(fā)光二極管、近流明級(jí)的藍(lán)光LED組合起來(lái)，就可完整由固體光源制作大型全色信號(hào)標(biāo)記。藍(lán)光AIInGaN發(fā)光二極管產(chǎn)生的光子和熒光粉的發(fā)光將一部分藍(lán)光光子轉(zhuǎn)變?yōu)槠浠パa(bǔ)色--黃色。人眼看到這種藍(lán)光和黃光的混雜是一種不鮮明的白色。
　　LumiledsLighting公司在PhilipsLighting（新澤西州Somerset）公司的技巧領(lǐng)導(dǎo)下生產(chǎn)了一系列大功率LED，顯示了照明業(yè)的潛力。在12W輸進(jìn)功率下，Lumileds公司生產(chǎn)的Luxeon型器件工作的功率電平比傳統(tǒng)的5mm唆使燈LED高20倍，發(fā)光效率高出50%，壽命可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)。目前市場(chǎng)上出售的器件不僅有紅光和橙光AIInGaPLED，而且還有綠光、藍(lán)光和白光AIInGaNLED。封裝的熱敏電阻由唆使燈LED的300Ω/W降到15Ω/W以下。熱敏感電阻的下降使工程技巧職員將20倍能量泵浦到器件中，獲得輸出為55lm紅光、30lm綠光、10lm藍(lán)光或熒光粉轉(zhuǎn)換藍(lán)光器件用的25lm的白光。焉代產(chǎn)品將是給出110lm白光的5W封裝的單管，這種光輸出和15W白熾燈的光輸出相當(dāng)，而封裝體積僅相當(dāng)于白熾燈的1%，功耗僅為1/3。12個(gè)110lm的器件足以制成一只用于汽車(chē)用的前燈。這種前燈并非傳統(tǒng)的6V汽車(chē)前燈，而是冷光藍(lán)色高強(qiáng)度等效放電的超亮度前燈。每只單色綠光5WLED的光通量超過(guò)130lm。兩只這樣的光源即可以調(diào)換傳統(tǒng)的8in～12in150W交通信號(hào)燈，可節(jié)儉90%的能源。由紅光、綠光、藍(lán)光組合的這些光源的發(fā)光效率可與注解晶顯示屏電視機(jī)和監(jiān)督器的背照明利用的冷陰極熒光燈相比，而且具有體積小和窄譜帶光色的特點(diǎn)。隨著發(fā)光二極管技巧的持續(xù)發(fā)展。固體照明無(wú)疑將利用于更廣泛的范疇，并將持續(xù)對(duì)傳統(tǒng)的照明光源提出挑釁。
　　發(fā)光二極管有很多長(zhǎng)處，其壽命可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)，固然不是很精巧但是對(duì)環(huán)境有益。其體積小，答利用幫助光學(xué)器件機(jī)動(dòng)地把持光束。實(shí)際利用的照明設(shè)備，如照亮寫(xiě)字臺(tái)、屏幕或房間的光源不僅請(qǐng)求高發(fā)光效率和長(zhǎng)的應(yīng)用壽命，還要具有很高的光通量和合調(diào)換價(jià)格。一只60W的白熾燈光發(fā)出900lm的白光，是典范的熒光粉轉(zhuǎn)換白光（唆使燈）發(fā)光二極管（PCLED）光能量的300倍。每流明的本錢(qián)只是其一部分，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)并裝配出能在比正常輸進(jìn)功率高出1～2個(gè)量級(jí)的功率下工作的發(fā)光二極管器件，并且使這些LED與傳統(tǒng)的唆使燈LED具有同樣高的效率及穩(wěn)固性。
　　二、LED發(fā)光的原理
　　發(fā)光二極管是一種將電流順向通到半導(dǎo)體p-n結(jié)處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)。1962年GE（GeneralElectric）公司用GaAsP首次將紅色LED商品化。最初的紅色LED的光通量為0.1lm/W，約是普通燈光的1/150，其發(fā)光效率大約每10年提高一個(gè)數(shù)目級(jí)。最近，藍(lán)色、綠色LED已實(shí)用化，其發(fā)光強(qiáng)度超過(guò)AlGaAs類(lèi)紅色LED。這種LED采用氮化物半導(dǎo)體（InGaN混晶）作活性（發(fā)光）層的量子阱結(jié)構(gòu)，其發(fā)光強(qiáng)度超過(guò)10cd，量子效率超過(guò)20%。此外，還開(kāi)發(fā)了外部量子效率超過(guò)50%的AIInGaP紅色LED（630nm）和琥珀--LED（595nm）。InGaN綠色、藍(lán)色LED的量子效率也接近上述值。
　　坎德拉（cd）是發(fā)光強(qiáng)度的單位，用以表現(xiàn)可見(jiàn)光LED發(fā)光強(qiáng)度的指標(biāo)。發(fā)光強(qiáng)度I可用光通量Φ和立體角Ω表現(xiàn)。I=dΦ/dΩ[cd]Φ=Km∫V（λ）Pλdλ[lm]其中，Km為在波長(zhǎng)555nm范疇內(nèi)的最大可見(jiàn)度（683nm），綠色對(duì)人眼是最亮的。V（λ）是在波長(zhǎng)為λ時(shí)的相對(duì)可見(jiàn)度[V(555nm)=1],Pλ為光譜輻射通量。
　　白色LED是一種由InGaN藍(lán)色LED和熒光體組成的新型LED。在藍(lán)色LED芯片上涂敷熒光體，最后用環(huán)氧樹(shù)脂將芯片四周到封。兩種方法（單芯片型和多芯片型）可得到色調(diào)后果好（Ra85）的白光。一是同時(shí)點(diǎn)亮紅色、綠色、藍(lán)色（R.G.B）或藍(lán)綠色和黃橙色2、3種LED；二是用輻射藍(lán)色或紫外LED作鼓勵(lì)光源鼓勵(lì)熒光體的方法。第一種方法不僅在LED的驅(qū)動(dòng)電壓或發(fā)光輸出上有缺點(diǎn)，而且在溫度特征或器件壽命上也存在標(biāo)題，因此距實(shí)用化還有一段間隔。第二種方法則用一個(gè)器件即可，驅(qū)動(dòng)電路，易于設(shè)計(jì)。有兩種鼓勵(lì)方法：即（1）用藍(lán)色LED鼓勵(lì)發(fā)黃光的熒光體。（2）用紫外LED鼓勵(lì)R.G.B熒光體。鼓勵(lì)熒光體的白色LED照明光源因熒光體組拿來(lái)不同可發(fā)射白光以外的各種色彩的光，因而可廣泛利用于照明。如前所述，每一個(gè)LED的光通量（lm）很弱，要作為照明光源必需配置多個(gè)LED。而開(kāi)發(fā)LED照明用光源，則必需對(duì)包含多個(gè)LED集成器件光散布在內(nèi)的裝置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)外，研究職員還必需參加半導(dǎo)體發(fā)光器件和照明光源的開(kāi)發(fā)及技巧交換。預(yù)計(jì)今后將有各種型號(hào)的白色LED問(wèn)世。然而，現(xiàn)在單芯片型InGaN藍(lán)色LED和YAG熒光體組成的白色LED僅外于產(chǎn)品化階段。美國(guó)LEDtronics公司、Gentex公司正致力于用藍(lán)綠色LED和琥珀色LED開(kāi)發(fā)多芯片型LED光源的研究，但難以實(shí)現(xiàn)一樣的混色，故很難達(dá)到實(shí)用化。用R.G.B三基色LED開(kāi)發(fā)了白色LED，現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室程度的發(fā)光效率已超過(guò)40lm/W，近幾年內(nèi)可看超過(guò)100lm/W。
　　作為熒光體鼓勵(lì)光源的多量子阱（MQW）LED的外部量子效率已提高了20%其溫柔色調(diào)優(yōu)良。受YAG熒光體壽命影響的白色LED的壽命已超過(guò)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。用具有上述優(yōu)良特征的炮彈型LED在玻璃狀環(huán)氧基板上以大約7mm間隔串聯(lián)41個(gè)LED，并將17列并聯(lián)，一共用697個(gè)。白色LED裝置應(yīng)用商用電源AC100V，60Hz及全波整流后的穩(wěn)壓電源（電容輸進(jìn)型整流電流）。為減少LED器件的耗電量，整流后電源的波形變動(dòng)量大峰值電壓為143V，最小電壓為126V。在此狀態(tài)下，各LED上施加電壓最大約為3.49V，最小約為3.07V時(shí)，電流值最大約為17mA，最小為3mA，耗電約為20W。圖1為用41個(gè)LED組成的照明用具。圖2表現(xiàn)了AC100V，120Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)的發(fā)光光譜，該光譜與直流順向發(fā)光光譜特征相一致。用燈座插進(jìn)方法，距發(fā)光面30cm處的光照度約為1200lx，耗電約為1W。無(wú)論哪種光源都無(wú)需裝配冷卻裝置?！?br />圖1用41個(gè)LED組成的照明用具
　

圖2交換照明時(shí)白色LED光源與白燈發(fā)光光譜


　　三、LED的發(fā)展猜測(cè)
　　在1999年的文章中我們?cè)赂也聹y(cè)白色LED的發(fā)光效率2002年達(dá)到30lm/W，2005年40lm/W，2010年50lm/W。2000年10月的研究會(huì)上業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)是2002年30lm/W，2005年50lm/W，2010年100lm/W。該文著者認(rèn)為上述前兩個(gè)指標(biāo)是可能的，而在當(dāng)前工藝技巧范疇內(nèi)2010年達(dá)到100lm/W怕是相當(dāng)艱苦的。
200lm/W以上的更高指標(biāo)需要更新我們的觀念：持續(xù)增加能走多遠(yuǎn)？是否需要等候新的技巧性的突破？答案可能是多種多樣的，仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。樂(lè)觀主義者信任只要保持走下往目標(biāo)總可以達(dá)到。而悲觀論者認(rèn)為就我們今天所談的LED，發(fā)光效率最高也就是50～90lm/W。要達(dá)到我們的目標(biāo)必需從以下兩方面努力：
　?。?）精益求精工藝，擴(kuò)大銷(xiāo)售而與白熾燈和鹵鎢燈競(jìng)爭(zhēng)；
　?。?）同時(shí)開(kāi)發(fā)新材料，改良產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
　　一些人認(rèn)為要達(dá)到發(fā)光效率200lm/W必需經(jīng)過(guò)革命性變更，應(yīng)當(dāng)來(lái)一次光源工藝的革命。當(dāng)今發(fā)光效率最高的光源是鐳射；傳統(tǒng)的鐳射和新型垂直空腔表面輻射鐳射（VCSEL）。二者的對(duì)外量子效率為65%～70%，在波長(zhǎng)800～1000nm范疇的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到55%以上。假如我們能夠把波長(zhǎng)范疇擴(kuò)大到可見(jiàn)光，我們就可以設(shè)計(jì)出一種新光源，它在470～620nm的范疇中發(fā)出30nm寬的6種色彩光。這種燈光具有如下特別性能：
　　◆色彩范疇:可以籠罩色度坐標(biāo)圖的80%～90%，優(yōu)于NTSC電視尺度，顯色性接近于白熾燈。
　　◆調(diào)光性能:可以采用數(shù)碼把持電路調(diào)節(jié)色彩和光強(qiáng)，調(diào)節(jié)時(shí)發(fā)光效率不下降。
　　◆光散布:鐳射光便于校準(zhǔn)為平行光，其有效光散布優(yōu)于各向同性的LED。
　　減少光散布喪失是LED的一大上風(fēng)。在早期街燈設(shè)計(jì)方面，Lumileds和phips照明于1995年展現(xiàn)的雛型中LED燈炮可以滿足相應(yīng)低壓鈉燈半光通量的光散布規(guī)范。
　　LED的晶片很上，是一種點(diǎn)狀冷光源，而且其多次反射或折射的光學(xué)表面使LED晶片可以彼此緊密地靠近在一起，因此浪費(fèi)的光很少，同時(shí)大大地打消了雜散光（光污染）。鐳射光源可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化分配設(shè)計(jì)，進(jìn)一步下降能源耗費(fèi)。